索网式可展开天线的形态分析与优化设计

摘要

索网式可展开天线由于包含柔性索网结构而具有重量轻、空间收纳率高等优点，该类天线目前已被广泛应用于雷达、侦查、对地观测、深空探测等领域。本文在西安电子科技大学展开天线课题组已有研究工作的基础上，对索梁组合结构的形态计算方法、索网式可展开天线的形态优化设计以及索网式可展开天线的整体结构优化设计等方面进行了深入的研究。
　　为提高索梁组合结构形态计算的效率，提出了索梁组合结构的结构划分方法。该方法将索梁组合结构划分为两大部分，一、是内部索网结构，二、是由边界索网和与其相连的框架梁单元组成的结构。基于非线性有限元法，本文对两部分结构间的预张力平衡关系进行了理论推导，提出了划分准则和划分条件。
　　对自身为纯索网结构且具有指定形状和拓扑形式的内部索网结构，以索单元预张力分布均匀为目标，结合平衡矩阵分析法对其进行形态优化计算，可得到索网体系的最优预张力分布。
　　对边界索网—梁结构，将平衡矩阵分析法与非线性有限元法结合使用，对梁单元变形影响下的边界索网进行预张力补偿，得到能够与内部索网预张力形成平衡力系的边界索网预张力。由于边界索网—梁结构比原整体结构形式简单，故对其进行的非线性有限元迭代计算的计算规模比较小、求解复杂程度也比较低。
　　结合上面的索网形态计算方法，提出了一种可使索网式可展开天线索网体系具有理想形态的天线整体优化方法。该方法以结构重量最轻为优化目标，以天线节点位移精度为约束条件，并结合前面提出的索梁组合结构形态迭代计算方法来对索网式可展开天线进行结构优化计算。由于优化中加入了可以使天线索网体系满足预设形态要求的预张力迭代计算，故由优化得到的天线结构可以在具有最优结构设计参数的同时，还能够保有预设的理想索网形态。
　　为验证上述理论方法及所编制设计软件的正确性，实际研制了2m口径索网式可展开天线模型，并进行了相关实验研究，取得了满意的结果。此外，将理论方法与软件分别应用于某17米口径正馈可展开天线与某10m口径偏馈可展开天线原理样机的工程实践中，不仅验证了方法的正确性和有效性，且指导了样机的研制工作。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 工程背景

1．2 星载可展开天线的发展及应用情况

1．2．1 星载可展开天线的总体发展情况

1．2．2 刚性反射面可展开天线

1．2．3 柔性反射面刚性支撑可展开天线

1．2．4 柔性可展开天线

1．2．5 不同类型星载可展开天线的比较及星载可展开天线的发展趋势

1．3 索网式可展开天线的发展及应用情况

1．4 索梁组合结构的理论研究现状

1．4．1 索梁组合结构中索网体系的形态分析

1．4．2 索梁组合结构的整体性能分析

1．4．3 索梁组合结构的优化设计

1．4．4 索梁组合结构的模型实验研究

1．5 本文的主要工作

第二章 索梁组合结构的结构划分方法

2．1 引言

2．2 索梁组合结构的结构划分方法

2．2．1 索梁组合结构的结构划分方法概述

2．2．2 索梁组合结构的结构划分方法原理推导

2．2．3 索梁组合结构的结构划分准则

2．2．4 索梁组合结构中节点和单元的划分

2．3 工程中索梁组合结构的分类

2．3．1 第一类索梁组合结构

2．3．2 第二类索梁组合结构

2．3．3 第三类索梁组合结构

2．4 本章小结

第三章 索梁组合结构中索网体系的形态计算方法

3．1 引言

3．2 内部索网结构的形态计算

3．2．1 索网结构平衡方程的建立

3．2．2 平衡方程中预张力的求解和优化

3．3 内部索网结构算例分析

3．3．1 简单索梁组合结构的内部索网算例

3．3．2 三向网格索网式可展开天线的内部索网算例

3．4 边界索网—梁结构的形态计算

3．5 边界索网—梁结构算例分析

3．5．1 简单索梁组合结构的边界索网—梁结构算例

3．5．2 三向网格索网式可展开天线的边界索网—梁结构算例

3．6 本章小结

第四章 索网式可展开天线的结构优化设计

4．1 引言

4．2 各类结构参数对天线性能的影响分析

4．3 索网式可展开天线的结构优化计算方法

4．3．1 优化目标函数的确定

4．3．2 优化设计变量的确定

4．3．3 优化约束条件的确定

4．3．4 迭代优化计算的具体步骤

4．4 算例分析

4．4．1 简单索梁组合结构算例

4．4．2 三向网格索网式可展开天线算例

4．5 本章小结

第五章 实验模型的研制与工程样机的应用

5．1 引言

5．2 2m口径索网式可展开天线实验模型的研制

5．2．1 2m口径可展开天线实验模型的结构设计

5．2．2 2m口径可展开天线实验模型的制造及其地面测试结果

5．3 某17m口径正馈索网式可展开天线样机研制的应用

5．4 某10m口径偏馈索网式可展开天线样机研制的应用

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的主要研究成果