星载径向肋索网天线结构设计分析与形状主动控制

摘要

近年来，随着人们对卫星移动通讯需求的增长，以及在射电天文、对地观测、电子侦查等领域研究的深入，星载天线增益的需求越来越高，天线口径设计要求越来越大。受运载火箭装载空间的限制，可展开结构已成为目前实现大口径天线的最佳方式。在各种可展开星载天线中，索网式可展开天线因其折叠收纳比高、质量轻、适应口径范围大等优点得到各国研究人员的广泛关注。我国科研人员对周边桁架式索网天线开展了大量研究，但对于展开性能更好且广泛应用的新一代径向肋索网天线的研究还相对较少。本文以径向肋索网天线为研究对象，围绕如何降低索网天线的设计误差和在轨误差、提高反射面精度开展研究，包括径向肋索网天线的几何构型设计、索网结构找形分析、结构机电耦合动力学建模以及反射面形状主动控制等，为研制新一代大口径、高精度径向肋索网天线提供了新的设计思路和方法，为其工程应用奠定了系统的理论基础。本文主要工作概述如下: (1)结合测地线和等边三角形的特性，基于节点坐标迭代策略提出一种生成反射面索网的准等边三角形网格法。对于给定的天线有效口径，在相同的节点拓扑形式和索单元数量下，采用该方法设计的反射面索网在总索长、索单元均匀性和索网形面精度等方面均优于传统的投影法和测地线法，而且反射面焦径比越小，该方法的优势越明显。利用该法生成了两种不同边界约束下的反射面索网，在此基础上进一步设计了6肋和12肋两种径向肋索网天线几何构型，其中6肋构型反射面索网网格均匀性更好，12肋构型反射面利用率更高。 (2)提出一种适用于确定径向肋索网天线平衡态构型的混合找形分析方法。对于径向肋索网天线反射面索网，根据设计好的索网构型采用极小范数法寻找最优的预拉力分布;而没有形面精度要求的背部索网，则结合力密度和非线性规划开展找形分析。这种结构拆分，分步找形的策略，释放了背部索网的部分几何约束，降低了每次找形分析的难度，使得该方法拥有更强的灵活性和适用性。分析结果显示，该方法可以有效处理径向肋索网天线的找形分析问题，得到合理的索单元预拉力分布。基于找形分析结果，为减小索网结构预拉力对径向肋产生的变形影响，还设计了一种带有辅助索的径向肋支撑结构。 (3)建立了带有压电陶瓷堆(PZT)作动器的径向肋索网天线的机电耦合动力学模型。对于展开锁定后的主控径向肋索网天线，其被动索单元和径向肋单元分别采用两节点杆单元和空间梁单元建模;而PZT作动器单元则基于压电本构方程和哈密顿原理建模。将各单元模型在总体坐标系下集成得到索网天线整体结构的机电耦合动力学模型，并分析了径向肋索网天线的模态特性。分析结果表明，在辅助杆两端施加固定约束能得到较大的结构基频，可满足一般的设计要求;加入作动器后结构模态频率降低，而增大预拉力可使结构模态频率变大。 (4)提出一种基于改进的快速模型预测控制(IFMPC)的径向肋索网天线反射面形状主动控制方法。该方法利用Newmark-β方法将径向肋索网天线的动力学方程表示为动力显式格式，解决了传统模型预测控制中矩阵指数运算带来的存储量大和效率低下的问题;在此基础上给出一种变加权系数矩阵策略和基于物理意义的控制系数矩阵快速计算方法，进一步缩短控制时间，提高计算效率。仿真结果表明，该方法适用于大规模结构形状控制问题求解，可显著降低形状控制过程中产生的残余振动，并且具有良好的鲁棒性。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1研究背景与意义

1．1．1索网反射面天线分类及应用

1．1．2索网反射面天线主要性能参数

1．1．3研究工作的理论意义与工程价值

1．2国内外相关研究工作进展

1．2．1索网天线几何构型设计

1．2．2索网天线找形分析

1．2．3索网天线建模分析

1．2．4索网天线反射面形状控制

1．3本文主要研究思路

2径向肋索网天线几何构型设计

2．1引言

2．2反射面索网设计

2．2．1准等边三角形网格法

2．2．2边界连接索设计

2．3背部索网和纵向拉索设计

2．4径向肋支撑系统设计

2．5整体结构几何构型

2．6本章小结

3径向肋索网天线找形分析

3．1引言

3．2索网结构找形分析

3．2．1极小范数法

3．2．2混合找形分析方法

3．3肋下辅助索优化设计

3．3．1肋变形对形面精度的影响

3．3．2肋下辅助索设计

3．3．3数值算例

3．4本章小结

4径向肋索网天线机电耦合动力学建模与分析

4．1引言

4．2被动单元有限元模型

4．2．1被动索单元

4．2．2被动梁单元

4．3主动单元有限元模型

4．4索网天线整体结构有限元模型

4．4．1索单元自由度扩充

4．4．2坐标变换矩阵

4．4．3整体结构集成

4．5索网天线结构动力学特性分析

4．5．1索网天线结构参数与边界约束

4．5．2索网天线模态特性分析

4．5．3作动器与预拉力对结构模态的影响

4．5．4索网天线结构密频特性

4．6本章小结

5 径向肋索网天线反射面形状主动控制

5．1引言

5．2主控索网天线动力学系统的状态空间描述

5．3改进的快速模型预测控制方法

5．3．1模型预测控制

5．3．2改进的快速模型预测控制

5．4数值仿真算例

5．4．1仿真模型及参数设置

5．4．2 OLC与IFMPC方法对比

5．4．3 MPC与IFMPC方法对比

5．5本章小结

6结论与展望

6．1结论

6．2创新点

6．3展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介