局部构件失效对环形天线性能影响研究

摘要

环形天线在轨展开后长期服役于恶劣的太空环境中，在太阳辐射和低温交替热沉等因素的影响下，天线构件材料会发生蠕变或老化等变异，使构件产生裂纹、断裂等局部失效现象。为了探究构件失效对天线服役性能的影响，本文开展了如下研究： 介绍了环形天线的性能指标，总结了天线常规服役环境下可能出现的失效形式，针对主要失效形式及其对天线服役性能产生的影响，确定了天线失效情况下服役性能的评价准则，即天线形面精度和结构刚度。 考虑到天线具有几何非线性的特点，采用有限元法对构件进行失效分析。由于失效构件种类及数量组合繁多，单纯通过图形界面进行有限元建模的方式不再适用，本文提出一种基于ABAQUS的参数化有限元分析方法，以提高失效分析效率。首先对环形天线进行参数化处理，利用天线口径和焦距等参数计算节点坐标并对所有节点进行编号处理；其次连接相应节点以生成所有构件，对构件进行编号处理并给其赋予对应的材料属性；再根据环形天线实际拓扑结构连接各个构件以建立天线完整有限元模型；最后利用MATLAB程序实现 ABAQUS输入文件的自动化编写和仿真运算，输出不同工况下形面精度和天线基频等性能参数。 分析了多种构件失效工况下对天线在轨性能的影响，并给出了不同构件失效对天线性能影响的量化结果。其中，构件失效后对天线性能的影响主要取决于失效构件的类型和位置。横杆失效后天线性能劣化最为严重，其次为边界张力阵、竖杆和斜杆；固定端附近构件失效后天线性能恶化较为严重；与主索网相连的单根边界张力阵失效后天线形面精度明显比其余边界张力阵单根失效时低；在所分析的范围内，天线的性能变化对竖杆或斜杆的失效数量敏感性不大；两竖杆失效时，对天线性能的影响主要取决于失效杆件相对于固定端的位置，而不是杆件之间的相对位置。

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