环状可展天线的热致振动分析

作     者：张茂新 

作者单位：北京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘晓宁

授予年度：2015年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：环状可展索网天线 找形分析 热致振动 数值分析 

摘      要：环状可展索网天线具有收缩比大、质量轻、精度高等优点,是目前星载可展开天线中较为理想的一种结构形式。环状天线从设计、发射到在轨运行的不同阶段状态其核心力学问题分别涉及张拉结构的找形、多柔体动力学和结构振动等不同领域。本文主要通过数值方法研究环状可展天线在轨完全展开固定状态下索网的找形问题和受空间辐照热载荷的热致振动问题。论文首先采用力密度方法编制了分析程序,并对边界节点固定的天线网面进行了找形设计。分析表明,天线框架柔度增加时,张力索网与框架的最终平衡将显著改变网面节点位置和张力分布,导致与设计值不符。其次本文结合力密度方法和几何非线性有限元分析,发展了考虑框架大变形的网面找形方法。方法的实现基于ANSYS有限元软件平台,以二次开发的形式给出了找形矩阵运算与有限元分析的交互迭代算法,并针对三种典型网面形式计算了找形结果。结果表明,在大柔度框架的情况下,本文的方法能够在框架显著畸变时仍能维持抛物面的型面精度,结果明显优于传统方法。该方法对于大口径和轻质化的天线设计具有参考意义。在找形分析基础上,建立了含有预张力网面的环状天线动力学分析模型。基于ANSYS环境,给出了梁-索单元结构分析与实体单元热分析相结合的非标准热应力耦合计算方法,从而实现高效率模拟梁截面的温度梯度所产生的热弯矩效应。在通过简单模型验证了计算的有效性和精确性后,对天线在四种典型热辐射工况下进行了热致振动分析。计算分别考虑了单独框架和整体天线两种情况,以了解预张力网面的作用。分析结果表明,在辐射热载作用下,天线会产生毫米量级的整体变形,并随传热状态的平衡而达到稳定,但天线在整体变形附近的振动幅度非常小。对框架而言,预张力网面的存在显著改变了天线框架的热致变形模式,而整体变形和振动幅度则有所降低,同时网面本身也会产生相同量级的振动,从而对天线功能产生潜在影响。