CN104795640A - 一种预防周边桁架式可展开天线索网热致松弛的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预防周边桁架式可展开天线索网热致松弛的方法。该方法对于现有的周边桁架可展开天线，在其各个桁架接头处分别安装一个压缩弹簧装置，使其能够自适应地补偿在轨热载荷引起的索网张力变化。新的设计方案中压缩弹簧的刚度系数、自由伸长长度、补偿余量等结构参数，可以通过合理的热仿真分析求得。

Description

一种预防周边桁架式可展开天线索网热致松弛的方法

技术领域

本发明属于雷达天线技术领域，具体涉及一种预防周边桁架式可展开天线索网热致松弛的方法。

背景技术

周边桁架式可展开网状天线由于其轻质量、收拢体积小、周期短的特点，成为了近年来备受各国宇航界关注的空间可展开天线形式，其结构组成主要包括可展开的周边桁架、金属反射网、前索网、后索网以及纵向调整索。前索网主要用于支撑所铺设的金属反射网，后索网主要起平衡作用，纵向调整索用于调节索网的张力分布，使得金属反射面形成所需要的形面。

在现有的设计方法中，周边桁架式可展开网状天线的索网结构往往是通过边界索直接挂接固连在桁架接头上的，并通过找形设计而处于张拉平衡状态。现有的找形设计往往在常温不考虑温度载荷的工况下进行，而天线在轨运行时会受到周期性的高低温度工况的影响，又由于索网和桁架的热胀系数是不匹配的，因此索网的张力会发生显著变化，甚至出现松弛。若要完全适应太空的热环境，理论上需要对天线进行在轨的实时调整，然而，实时调整尚处于概念阶段，短期内是很难实现的。因此，如何使得周边桁架式可展开天线能够很好地适应太空的温度环境，存在一定的困难。

杨东武在2010年的博士论文《星载大型可展开索网天线结构设计与形面调整》中采用极小范数法对天线的索网结构进行了初始预张力设计，并通过迭代补偿的方法进行了考虑桁架变形的找形设计。该方法未考虑温度对索网天线的影响。

欧阳斌在2006年的硕士论文《索膜结构的形态分析和温度效应研究》中研究了温度对索膜结构静力和动力特性的影响，说明温度对索膜结构的张力影响很显著，但是并未提出能够补偿温度影响的结构设计方法。

Jingli Du在2013年的论文《Shape adjustment of cable meshantennas using sequential quadratic programming》中，研究了考虑加工装配误差时，索网天线的形面调整方法。但是在本文方法仅仅适用于单一工况下的调整，不能很好地适应不断变化的太空温度环境。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种预防周边桁架式可展开天线索网热致松弛的方法，以便能适应太空不断变化的温度环境，防止可展开天线索网热致松弛影响到天线的性能。

本发明的技术方案是，一种预防周边桁架式可展开天线索网热致松弛的方法，其特征是：至少包括如下步骤：

步骤101：确定天线的基本几何参数，包括：天线的口径D、前网面焦距F_front、后网面焦距F_rear及天线高度H；

步骤102：根据天线的基本几何参数和索网几何逼近精度的要求，对前后索网进行初始网格划分，初始网格划分包括辐射状网格划分、三向网格划分或者准测地线网格划分，对前后索网进行初始网格划分后将其作为索网的初始几何构型；并建立索网-桁架组合结构的有限元模型；该模型中，索网与桁架是共节点的，索网直接固连在桁架节点上，此时尚未加入补偿装置；

步骤103：根据步骤102所建立的索网-桁架组合结构有限元模型进行找形设计；找形设计中不考虑温度影响；

步骤104：以步骤103找形后的模型为基础，在桁架的各个接头处安装压缩弹簧结构作为补偿装置，用于适应温度变化所引起的索网张力的变化，消除或减少预防温度作用下由于索网和桁架的热胀系数不匹配导致索网发生松弛；

步骤105：根据步骤104安装补偿装置之后的整体结构在温度载荷和预张力共同作用下的力平衡特性，确定出补偿设计方案中各结构参数之间的相互关系；需要确定的结构参数包括：各个接头处压缩弹簧的弹性系数Kⁱ、常温预紧平衡状态下索网挂接处距离桁架接头的水平余量常温预紧平衡状态下的弹簧长度及弹簧的自由伸长长度 $L_0^i;$

步骤106：对步骤103找形设计之后的模型进行热仿真，估算出天线在轨运行最高温和最低温工况下各个接头处安装的压缩弹簧需要承受的最大力和最小力，及其相对应的压缩量，利用步骤105得到的结构参数关系，确定压缩弹簧的刚度系数；

步骤107：利用步骤105得到的结构参数关系，确定各个压缩弹簧的自由伸长长度及处于常温预紧状态下的压缩弹簧长度i表示接头编号；

步骤108：确定压缩弹簧的具体参数；首先，结合销轴的尺寸，按照国标选取各个压缩弹簧中径Dⁱ和丝径dⁱ，选取压缩弹簧的材料并确定相应的剪切模量Gⁱ；然后，根据压缩弹簧的刚度公式和步骤106所得的刚度系数，计算出压缩弹簧的总圈数nⁱ；

步骤109：补偿装置中的结构参数全部得到确定，总体方案设计完成。

所述的步骤103，包括如下步骤：

步骤401：对于步骤102得到的索网-桁架组合结构，不计桁架的变形，对桁架的接头节点都施加全约束，对纯索网结构进行初始预张力设计，得到因张拉而处于自平衡状态的纯索网结构；

步骤402：释放对桁架接头节点的约束，在索网张力作用下，桁架发生一定的变形，从而整体索网-桁架组合结构达到新的自平衡状态；

所述的步骤105，包括如下步骤：

步骤701：对总体结构中桁架的各个接头进行编号，用i表示接头编号，i＝1～n，n为桁架接头数目；

步骤702：安装补偿装置之后的整体结构中需要确定的结构参数包括：各个接头处压缩弹簧的弹性系数Kⁱ、常温预紧平衡状态下索网挂接处距离桁架接头的水平余量常温预紧平衡状态下的弹簧长度及弹簧的自由伸长长度

步骤703：根据受力平衡关系，在常温预紧工况、最高温工况及最低温工况下，都应满足在各接头处压缩弹簧承受的轴向力与该接头处索网张力的水平分量相等，即满足：

$K^i(L_0^i-{\mathrm{\Δ}}_2^i)={\stackrel{\‾}{F}}_{T_0}^i---\left(1\right)$

$K^i(L_0^i-{\mathrm{\Δ}}_2^i-{\mathrm{\ΔL}}_1^i)={\stackrel{\‾}{F}}_{T_{\max }}^i---\left(2\right)$

$K^i(L_0^i-{\mathrm{\Δ}}_2^i+{\mathrm{\ΔL}}_2^i)={\stackrel{\‾}{F}}_{T_{\max }}^i---\left(3\right)$

式中，分别为常温工况T₀、最高温工况T_max、最低温工况T_min下接头i处压缩弹簧所承受的压紧力；和分别为最高温工况和最低温工况下弹簧压缩量相对于常温工况的变化量；

步骤704：结构常温预紧平衡状态下索网挂节点距离桁架接头的水平余量与最高温工况下弹簧压缩量的变化量 ₁应满足可以取 ${\mathrm{\Δ}}_1^i={\mathrm{\ΔL}}_1^i.$

所述的步骤106，包括如下步骤：

步骤901：提取步骤103所得的找形设计之后的索网-桁架组合结构有限元模型；

步骤902：令桁架的热胀系数为零，此时二者热胀系数的不匹配性最大化；

步骤903：对该结构分别施加最高温度工况T_max和最低温度工况T_min；

步骤904：求出索网对各接头作用力的水平分量，作为和的估算值，i表示接头编号；

步骤905：令桁架的热胀系数与索网的热胀系数相等，此时二者不存在热胀系数的不匹配性；

步骤906：对该结构分别施加最高温工况T_max和最低温工况T_min；

步骤907：求出桁架各个接头相对于天线结构中心的水平方向的热胀位移和冷缩位移，作为和的估算值；

步骤908：根据步骤703的式(2)和(3)，可得各接头处的压缩弹簧的刚度系数为

$K^i=\frac{{\stackrel{\‾}{F}}_{T_{\min }}^i-{\stackrel{\‾}{F}}_{T_{\max }}^i}{{\mathrm{\ΔL}}_2^i+{\mathrm{\ΔL}}_1^i}$

所述的步骤107，包括如下步骤：

步骤1001：提取步骤103所得的找形设计之后的索网-桁架组合结构有限元模型；

步骤1002：求出索网对各接头作用力的水平分量i表示接头编号；

步骤1003：根据力平衡关系求出弹簧在常温预紧状态下的压缩量

步骤1004：令 $(L_0^i-{\mathrm{\Δ}}_2^i)=40\%L_0^i,$ 求出和

本发明与现有技术相比，本发明的优点是：1)本发明的方法从结构设计的角度出发，通过弹簧结构自适应地补偿温度作用对天线索网张力的影响，对高温工况和低温工况均有很好的补偿作用；2)本发明中采用的弹簧结构，具有结构简单、工程易实现的特点，对不同口径、正馈和偏馈的周边桁架式网状天线均可适用。

附图说明

图1周边桁架式可展开天线预防索网热致松弛设计总体流程图；

图2天线索网-桁架组合结构有限元模型俯视图；

图3天线索网-桁架组合结构有限元模型正视图；

图4天线索网-桁架组合结构找形设计流程图；

图5具有补偿装置的天线总体结构示意图；

图6天线桁架接头处补偿装置结构示意图；

图7具有补偿装置的天线总体结构参数关系确定流程图；

图8天线桁架接头编号示意图；

图9压缩弹簧刚度系数设计流程图；

图10压缩弹簧自由伸长和预紧长度设计流程图；

具体实施方式

如图1所示，周边桁架式可展开天线预防索网热致松弛的一种设计方法，该方法通过在天线桁架接头处安装压缩弹簧结构来实现对索网热致松弛的补偿，包括如下步骤：

步骤101：确定天线的基本几何参数，包括：天线的口径D、前网面焦距F_front、后网面焦距F_rear及天线高度H；

步骤102：根据天线的基本几何参数和索网几何逼近精度的要求，对前后索网进行初始网格划分，初始网格划分包括辐射状网格划分、三向网格划分或者准测地线网格划分，对前后索网进行初始网格划分后将其作为索网的初始几何构型；并建立索网-桁架组合结构的有限元模型；如图2、3所示，该模型中，索网与桁架是共节点的，索网直接固连在桁架节点上，此时尚未加入补偿装置；

步骤103：根据步骤102所建立的索网-桁架组合结构有限元模型进行找形设计；找形设计中不考虑温度影响；找形设计过程如图4所示，首先，对于如图2、3所示的有限元模型，假定桁架的节点是固支的，对于纯索网结构，设计出在该几何构型下的一组平衡张力；然后，去掉对桁架节点的约束，索网-桁架组合结构在索网张力的作用下，达到新的平衡状态；

步骤104：以步骤103找形后的模型为基础，在桁架的各个接头处安装压缩弹簧结构作为补偿装置，用于适应温度变化所引起的索网张力的变化，消除或减少预防温度作用下由于索网和桁架的热胀系数不匹配导致索网发生松弛；补偿装置的安装位置如图5所示，其结构设计方案如图6所示，该补偿装置由压缩弹簧和销轴组成，销轴穿过桁架接头的通孔，销轴的一端拉着索网的边界索，受到索网的拉力，另一端受到压缩弹簧的支撑力，通过设计补偿装置的具体参数，可以使两个作用力达到平衡；

步骤105：根据步骤104安装补偿装置之后的整体结构在温度载荷和预张力共同作用下的力平衡特性，确定出补偿设计方案中各结构参数之间的相互关系；需要确定的结构参数包括：各个接头处压缩弹簧的弹性系数Kⁱ、常温预紧平衡状态下索网挂接处距离桁架接头的水平余量常温预紧平衡状态下的弹簧长度及弹簧的自由伸长长度如图6所示；

步骤106：对步骤103找形设计之后的模型进行热仿真，估算出天线在轨运行最高温和最低温工况下各个接头处安装的压缩弹簧需要承受的最大力和最小力，及其相对应的压缩量，利用步骤105得到的结构参数关系，确定压缩弹簧的刚度系数；

步骤107：利用步骤105得到的结构参数关系，确定各个压缩弹簧的自由伸长长度及处于常温预紧状态下的压缩弹簧长度i表示接头编号；

步骤108：确定压缩弹簧的具体参数；首先，结合销轴的尺寸，按照国标选取各个压缩弹簧中径Dⁱ和丝径dⁱ，选取压缩弹簧的材料并确定相应的剪切模量Gⁱ；然后，根据压缩弹簧的刚度公式和步骤106所得的刚度系数，计算出压缩弹簧的总圈数nⁱ；

步骤109：补偿装置中的结构参数全部得到确定，总体方案设计完成。

如图4所示，所述的步骤103对传统方案的索网-桁架组合结构进行找形设计，具体涉及如下步骤：

步骤401：对于步骤102得到的索网-桁架组合结构，不计桁架的变形，对桁架的接头节点都施加全约束，对纯索网结构进行初始预张力设计，得到因张拉而处于自平衡状态的纯索网结构；

步骤402：释放对桁架接头节点的约束，在索网张力作用下，桁架发生一定的变形，从而整体索网-桁架组合结构达到新的自平衡状态；

如图7所示，所述的步骤105确定补偿方案中结构参数之间的相互关系，具体涉及如下步骤：

步骤701：对总体结构中桁架的各个接头进行编号，用i表示接头编号，i＝1～n，n为桁架接头数目，如图8所示；

步骤702：安装补偿装置之后的整体结构中需要确定的结构参数包括：各个接头处压缩弹簧的弹性系数Kⁱ、常温预紧平衡状态下索网挂接处距离桁架接头的水平余量常温预紧平衡状态下的弹簧长度及弹簧的自由伸长长度如图6所示；

步骤703：根据受力平衡关系，在常温预紧工况、最高温工况及最低温工况下，都应满足在各接头处压缩弹簧承受的轴向力与该接头处索网张力的水平分量相等，即满足：

$K^i(L_0^i-{\mathrm{\Δ}}_2^i)={\stackrel{\‾}{F}}_{T_0}^i---\left(1\right)$

$K^i(L_0^i-{\mathrm{\Δ}}_2^i-{\mathrm{\ΔL}}_1^i)={\stackrel{\‾}{F}}_{T_{\max }}^i---\left(2\right)$

$K^i(L_0^i-{\mathrm{\Δ}}_2^i+{\mathrm{\ΔL}}_2^i)={\stackrel{\‾}{F}}_{T_{\max }}^i---\left(3\right)$

式中，分别为常温工况T₀、最高温工况T_max、最低温工况T_min下接头i处压缩弹簧所承受的压紧力；和分别为最高温工况和最低温工况下弹簧压缩量相对于常温工况的变化量；

步骤704：结构常温预紧平衡状态下索网挂节点距离桁架接头的水平余量与最高温工况下弹簧压缩量的变化量应满足可以取 ${\mathrm{\Δ}}_1^i={\mathrm{\ΔL}}_1^i.$

如图9所示，所述的步骤106求出各压缩弹簧的刚度系数，具体涉及如下步骤：

步骤901：提取步骤103所得的找形设计之后的索网-桁架组合结构有限元模型；

步骤902：令桁架的热胀系数为零，此时二者热胀系数的不匹配性最大化；

步骤903：对该结构分别施加最高温度工况T_max和最低温度工况T_min；

步骤904：求出索网对各接头作用力的水平分量，作为和的估算值，i表示接头编号；

步骤905：令桁架的热胀系数与索网的热胀系数相等，此时二者不存在热胀系数的不匹配性；

步骤906：对该结构分别施加最高温工况T_max和最低温工况T_min；

步骤907：求出桁架各个接头相对于天线结构中心的水平方向的热胀位移和冷缩位移，作为和的估算值；

步骤908：根据步骤703的式(2)和(3)，可得各接头处的压缩弹簧的刚度系数为

$K^i=\frac{{\stackrel{\‾}{F}}_{T_{\min }}^i-{\stackrel{\‾}{F}}_{T_{\max }}^i}{{\mathrm{\ΔL}}_2^i+{\mathrm{\ΔL}}_1^i}$

如图10所示，所述的步骤107确定各压缩弹簧的自由伸长长度和常温预紧长度，具体涉及如下步骤：

步骤1001：提取步骤103所得的找形设计之后的索网-桁架组合结构有限元模型；

步骤1002：求出索网对各接头作用力的水平分量i表示接头编号；

步骤1003：根据力平衡关系求出弹簧在常温预紧状态下的压缩量

步骤1004：令 $(L_0^i-{\mathrm{\Δ}}_2^i)=40\%L_0^i,$ 求出和

Claims (3)

1.一种预防周边桁架式可展开天线索网热致松弛的方法，其特征是：至少包括如下步骤：

步骤101：确定天线的基本几何参数，包括：天线的口径D、前网面焦距F_front、后网面焦距F_rear及天线高度H；

步骤102：根据天线的基本几何参数和索网几何逼近精度的要求，对前后索网进行初始网格划分，初始网格划分包括辐射状网格划分、三向网格划分或者准测地线网格划分，对前后索网进行初始网格划分后将其作为索网的初始几何构型；并建立索网-桁架组合结构的有限元模型；该模型中，索网与桁架是共节点的，索网直接固连在桁架节点上，此时尚未加入补偿装置；

步骤103：根据步骤102所建立的索网-桁架组合结构有限元模型进行找形设计；找形设计中不考虑温度影响；

步骤104：以步骤103找形后的模型为基础，在桁架的各个接头处安装压缩弹簧结构作为补偿装置，用于适应温度变化所引起的索网张力的变化，消除或减少预防温度作用下由于索网和桁架的热胀系数不匹配导致索网发生松弛；

步骤105：根据步骤104安装补偿装置之后的整体结构在温度载荷和预张力共同作用下的力平衡特性，确定出补偿设计方案中各结构参数之间的相互关系；需要确定的结构参数包括：各个接头处压缩弹簧的弹性系数Kⁱ、常温预紧平衡状态下索网挂接处距离桁架接头的水平余量常温预紧平衡状态下的弹簧长度及弹簧的自由伸长长度

步骤106：对步骤103找形设计之后的模型进行热仿真，估算出天线在轨运行最高温和最低温工况下各个接头处安装的压缩弹簧需要承受的最大力和最小力，及其相对应的压缩量，利用步骤105得到的结构参数关系，确定压缩弹簧的刚度系数；

步骤107：利用步骤105得到的结构参数关系，确定各个压缩弹簧的自由伸长长度及处于常温预紧状态下的压缩弹簧长度i表示接头编号；

步骤108：确定压缩弹簧的具体参数；首先，结合销轴的尺寸，按照国标选取各个压缩弹簧中径Dⁱ和丝径dⁱ，选取压缩弹簧的材料并确定相应的剪切模量Gⁱ；然后，根据压缩弹簧的刚度公式和步骤106所得的刚度系数，计算出压缩弹簧的总圈数nⁱ；

步骤109：补偿装置中的结构参数全部得到确定，总体方案设计完成。

2.根据权利要求1所述的一种预防周边桁架式可展开天线索网热致松弛的方法，其特征是：所述的步骤105，包括如下步骤：

步骤701：对总体结构中桁架的各个接头进行编号，用i表示接头编号，i＝1～n，n为桁架接头数目；

步骤702：安装补偿装置之后的整体结构中需要确定的结构参数包括：各个接头处压缩弹簧的弹性系数Kⁱ、常温预紧平衡状态下索网挂接处距离桁架接头的水平余量常温预紧平衡状态下的弹簧长度及弹簧的自由伸长长度

步骤703：根据受力平衡关系，在常温预紧工况、最高温工况及最低温工况下，都应满足在各接头处压缩弹簧承受的轴向力与该接头处索网张力的水平分量相等，即满足：

$K^i(L_0^i-{\mathrm{\Δ}}_2^i)={\stackrel{\‾}{F}}_{T_0}^i---\left(1\right)$

$K^i(L_0^i-{\mathrm{\Δ}}_2^i-\mathrm{\Δ}{L}_1^i)={\stackrel{\‾}{F}}_{T_{\max }}^i---\left(2\right)$

$K^i(L_0^i-{\mathrm{\Δ}}_2^i+\mathrm{\Δ}{L}_2^i)={\stackrel{\‾}{F}}_{T_{\max }}^i---\left(3\right)$

式中，分别为常温工况T₀、最高温工况T_max、最低温工况T_min下接头i处压缩弹簧所承受的压紧力；和分别为最高温工况和最低温工况下弹簧压缩量相对于常温工况的变化量；

步骤704：结构常温预紧平衡状态下索网挂节点距离桁架接头的水平余量与最高温工况下弹簧压缩量的变化量应满足可以取 ${\mathrm{\Δ}}_1^i=\mathrm{\Δ}{L}_1^i.$

3.根据权利要求1所述的一种预防周边桁架式可展开天线索网热致松弛的方法，其特征是：所述的步骤106，包括如下步骤：

步骤901：提取步骤103所得的找形设计之后的索网-桁架组合结构有限元模型；

步骤902：令桁架的热胀系数为零，此时二者热胀系数的不匹配性最大化；

步骤903：对该结构分别施加最高温度工况T_max和最低温度工况T_min；

步骤904：求出索网对各接头作用力的水平分量，作为和的估算值，i表示接头编号；

步骤905：令桁架的热胀系数与索网的热胀系数相等，此时二者不存在热胀系数的不匹配性；

步骤906：对该结构分别施加最高温工况T_max和最低温工况T_min；

步骤907：求出桁架各个接头相对于天线结构中心的水平方向的热胀位移和冷缩位移，作为和的估算值；

步骤908：根据步骤703的式(2)和(3)，可得各接头处的压缩弹簧的刚度系数为

$K^i=\frac{{\stackrel{\‾}{F}}_{T_{\min }}^i-{\stackrel{\‾}{F}}_{T_{\max }}^i}{\mathrm{\Δ}{L}_2^i+\mathrm{\Δ}{L}_1^i}.$