可展开四棱锥单元构型综合与模块化阵面天线机构设计

发布时间：2017-10-11 14:18

  本文关键词：可展开四棱锥单元构型综合与模块化阵面天线机构设计

  更多相关文章： 阵面天线 展开机构 四棱锥单元 拓扑结构 构型综合 展开分析

【摘要】：星载合成孔径雷达(SAR)广泛应用于高分辨率对地观测领域。近年来,更高观测分辨率和更大成像幅宽的发展趋势致使SAR阵面尺寸越来越大,需要应用可展开机构对SAR阵面进行展开和支撑,以满足大型SAR天线可展收、高刚度和高精度的性能要求。未来的星载SAR阵面长度将达数十米,迫切需要发展一种新型模块化可拓展的可展开机构。同时,模块化可展开机构是一类多闭环、柔性度较高的复杂空间机构,具有一些不同于其他类型机构的特征。它的一些未被解决的共性问题,如拓扑结构描述与分析方法、过约束构型的综合方法、设计参数与约束关联性解耦的设计方法、展开过程准确分析和指标描述手段等,仍制约着可展开机构技术发展与工程应用。本文首先提出一种可展开机构拓扑结构分析和设计的三步法:1)概念设计构型提出;2)拓扑结构分析;3)运动副的确定。根据宇航可展开机构应用情况,对本文所研究的可展开机构单元进行定义和分类。建立以加权图谱和加权邻接矩阵来表达可展开单元概念设计构型,进而提出可展开单元概念设计构型的生成流程A和B;以拓扑图描述可展开单元各构件间连接关系,并提出构建可展开单元拓扑图的流程C;给出可展开单元运动副分配的原则,进而提出可展开单元运动副确定流程(流程D)。根据流程A-D,系统的对空间四棱锥可展开单元进行拓扑结构分析和设计,得到11种可收拢到平面状态的新型可展开四棱锥单元。基于螺旋理论,对含过约束的可展开四棱锥单元进行系统的综合。分析了可展开四棱锥单元可能的过约束情况,并给出其旋量表示。基于虚功原理,推导可展开机构过约束下可连续折展的条件,进而提出含过约束可展开机构构型综合流程。基于该流程,分别对十二种公共约束下和冗余约束下四棱锥可展开单元进行系统的综合,得到28种新型可收拢于平面的过约束可展开四棱锥单元,通过动力学仿真验证了这些可展开单元能够按照指定自由度进行折展运动。根据上述可展开机构设计和综合方法,提出模块化可展开机构单元方案,对单元方案进行模糊评价和优选,进而提出大型模块化阵面天线可展开机构方案。建立展开运动分析模型,对可展开机构各环路运动学参数和奇异位形进行分析和解耦,并以三次多项式为驱动函数规划出可平稳无奇异展开的轨迹,解决了可展开机构展开过程中存在奇异位形的问题。并通过运动学仿真验证了该分析模型的准确性。提出可展开机构展开过程动力学分析的等效模型,大大简化了动力学建模和求解的同时准确的预测展开过程所需的驱动力矩。同时为了分析可展开机构真实展开过程,建立了考虑接触摩擦的柔性可展开机构展开分析模型。分析结果表明,当考虑构件柔性时,模块化阵面天线可展开机构在展开初始加速和末了减速阶段会出现四块天线面板展开不同步的现象。提出展开同步性、稳定驱动力矩和最大变形能3个性能指标,用于定量的描述可展开机构展开性能。基于响应面理论,建立性能指标的数学表达式。进而提出以性能指标为优化目标,设计和配比辅助驱动弹簧的方法解决展开不同步的问题。研究表明,优化后模块化可展开机构展开同步性明显好转。分别对可展开机构发射状态模态、工作状态模态和在轨热变形进行有限元分析。分析了各铰链是否锁定及其各方向上的刚度对系统基频的影响。开展以在轨热变形和质量最小化为目标、基频不变为约束,以各杆件壁厚和热膨胀系数为变量的优化设计。进而根据优化结果设计出阵面天线模块化可展开机构。可实现技术指标:展开尺寸15000mm×1400mm、收拢尺寸Φ2400mm×2250mm、工作基频2.89Hz、发射基频36Hz、展开时间4.2min、重复精度2.658°(原理样机)、在轨热变形0.86mm、质量72kg。最后,研制出二分之一两模块原理样机。原理样机重复展开实验表明本文所提的设计和分析方法合理、有效。
【关键词】：阵面天线 展开机构 四棱锥单元 拓扑结构 构型综合 展开分析
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V443.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 绪论15-30
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义15-16
• 1.1.1 课题的来源15
• 1.1.2 研究的目的和意义15-16
• 1.2 可展开机构创新设计流程16-17
• 1.3 国内外研究现状及分析17-27
• 1.3.1 星载SAR阵面天线及其可展开机构17-21
• 1.3.2 可展开机构创新设计方法21-25
• 1.3.3 可展开机构动力学研究25-26
• 1.3.4 国内可展开机构研究现状26-27
• 1.4 可展开机构研究现状简析27-28
• 1.5 本文的主要研究内容28-30
• 第2章 平面折叠型可展开四棱锥单元拓扑结构分析30-50
• 2.1 引言30
• 2.2 可展开机构拓扑结构组成30-32
• 2.2.1 拓扑结构经典分析方法30-31
• 2.2.2 本文所研究的可展开机构31-32
• 2.3 概念设计构型32-38
• 2.3.1 稳定桁架结构建立32-35
• 2.3.2 概念设计构型建立35-37
• 2.3.3 同构识别37-38
• 2.4 拓扑结构分析38-41
• 2.4.1 概念设计构型的拓扑图表示38-39
• 2.4.2 拓扑图的构建流程39-41
• 2.5 运动副的确定41-43
• 2.5.1 基本假设41
• 2.5.2 运动副确定的流程41-43
• 2.6 算例与结果43-49
• 2.6.1 算例43-45
• 2.6.2 结果与讨论45-49
• 2.7 本章小结49-50
• 第3章 平面折叠型过约束可展开四棱锥单元构型综合50-73
• 3.1 引言50
• 3.2 过约束可展开单元的螺旋表示50-55
• 3.2.1 运动与约束的螺旋表示50-51
• 3.2.2 过约束分析51-52
• 3.2.3 过约束允许连续折展的条件52-55
• 3.3 公共约束存在下可展开单元综合55-70
• 3.3.1 公共约束为旋量一系情况56-63
• 3.3.2 公共约束为螺旋二系情况63-66
• 3.3.3 公共约束为螺旋三系情况66-70
• 3.3.4 仅含公共约束综合结果70
• 3.4 冗余约束存在下可展开单元综合70-72
• 3.5 本章小结72-73
• 第4章 模块化阵面天线可展开机构方案生成与展开运动学分析73-91
• 4.1 引言73
• 4.2 模块化可展开机构方案73-80
• 4.2.1 单模块概念设计73-74
• 4.2.2 基本单元设计与优选74-79
• 4.2.3 可展开机构方案生成79-80
• 4.3 展开运动分析80-83
• 4.3.1 运动学分析模型80
• 4.3.2 展开角度80-82
• 4.3.3 雅克比矩阵82-83
• 4.4 运动奇异解耦83-89
• 4.4.1 奇异分析83-85
• 4.4.2 展开控制策略85-88
• 4.4.3 剪刀机构设计88-89
• 4.5 展开运动仿真89-90
• 4.6 本章小结90-91
• 第5章 计及构件柔性的阵面天线机构展开动力学分析与优化91-110
• 5.1 引言91
• 5.2 展开过程刚体动力学分析91-95
• 5.2.1 质心运动91-92
• 5.2.2 动力学方程92-93
• 5.2.3 驱动力矩求解93-95
• 5.3 展开过程柔性动力学分析95-100
• 5.3.1 柔性展开模型95-96
• 5.3.2 柔性展开特性96-99
• 5.3.3 优化模型99-100
• 5.4 近似数学模型建立100-105
• 5.4.1 响应面理论100-101
• 5.4.2 近似模型101-105
• 5.5 参数优化105-108
• 5.5.1 优化结果105-106
• 5.5.2 优化前后对比106-108
• 5.6 本章小结108-110
• 第6章 模块化阵面天线可展开机构原理样机研制与展开实验110-130
• 6.1 引言110
• 6.2 任务分析110-111
• 6.2.1 设计约束110-111
• 6.2.2 设计流程111
• 6.3 模块化可展开机构设计与分析111-119
• 6.3.1 可展开机构设计111-113
• 6.3.2 发射状态模态分析113-114
• 6.3.3 工作状态模态分析114-116
• 6.3.4 在轨热变形分析116-119
• 6.4 原理样机及实验119-128
• 6.4.1 原理样机119-120
• 6.4.2 展开功能实验120-123
• 6.4.3 驱动力矩测试123-124
• 6.4.4 重复精度测试124-125
• 6.4.5 基频测试125-128
• 6.5 工程应用128
• 6.6 本章小结128-130
• 结论130-132
• 参考文献132-142
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果142-145
• 致谢145-147
• 个人简历147

【相似文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 王岩;可展开四棱锥单元构型综合与模块化阵面天线机构设计[D];哈尔滨工业大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 华婷;基于资源要素方法的虚拟单元动态构建问题研究[D];江苏科技大学;2015年

2 蔡灵洁;语文教材单元的研究[D];上海师范大学;2012年

，

本文编号：1012978