基于形状记忆复合材料的可展开天线设计及实验研究

发布时间：2017-10-13 06:07

  本文关键词：基于形状记忆复合材料的可展开天线设计及实验研究

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【摘要】：空间可展开天线是空间可展开结构中最重要的一个分支,目前其研究正从老旧的机械式结构,逐渐向重量轻、可靠性高、成本低的新型可展开天线结构发展。随着材料科学的发展,形状记忆聚合物作为一种新型智能材料,逐渐成为研究热点。碳纤维增强后的形状记忆聚合物复合材料,既具有比强度、比刚度高的显著优点,又能够实现主动变形驱动,在空间可展开结构中具有广阔的应用前景。本文基于一种热固性形状记忆聚合物复合材料,设计并研制了一种由形状记忆复合材料铰链驱动的平面式可展开天线结构。首先,对课题组自行研制的一种形状记忆聚合物,进行了“热-力学性能”表征,并对由此形状记忆聚合物制成的形状记忆铰链片层弯曲进行了仿真研究,又通过实验研究了该片层和铰链的展开驱动及回复能力,得到了铰链展开过程中的相关规律,结果表明形状记忆复合材料具有一定的展开回复能力。基于上述研究,设计出了一种平面式可展开天线结构,并通过系统的模态仿真研究,确定了最优铰链尺寸和配置位置。此外,还建立了单块天线的展开运动学模型,以及动力学微分方程,并基于ADAMS虚拟样机技术,对单块天线进行了展开动力学仿真研究,得到了其展开规律曲线,分析了展开过程中对卫星本体位姿的影响。最后,运用气浮法模拟零重力环境,对单块天线进行了模拟环境下的展开实验研究和展开状态下的模态实验研究,得到了天线展开角度随时间的变化关系,以及展开状态下天线的模态特性。本文通过对可展开天线的理论和仿真分析,从理论层面证明了天线结构设计的合理性、展开过程的平缓性以及冲击振动小的优越性。并通过模拟单块天线零重力环境的展开实验,完成了天线的顺利展开,验证了形状记忆复合材料应用在可展开结构中的可行性。
【关键词】：形状记忆聚合物 复合材料 可展开天线 有限元模拟 模态实验
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V443.4;TB33
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-19
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义8
• 1.2 空间可展开天线结构的研究现状8-13
• 1.2.1 板状反射面可展开天线9-10
• 1.2.2 网状反射面可展开天线10
• 1.2.3 薄膜型反射面可展开天线10-11
• 1.2.4 平面式可展开天线11-13
• 1.3 形状记忆聚合物复合材料可展开结构研究现状13-17
• 1.3.1 形状记忆复合材料铰链14-15
• 1.3.2 形状记忆复合材料空间可展开梁15-16
• 1.3.3 形状记忆复合材料可展开天线16-17
• 1.4 本文主要研究内容17-19
• 第2章 形状记忆可展开铰链设计和力学性能分析19-38
• 2.1 引言19
• 2.2 形状记忆聚合物力学性能测试及相关参数的确定19-24
• 2.2.1 形状记忆聚合物试件的制作19-20
• 2.2.2 形状记忆聚合物力学性能测试20-22
• 2.2.3 形状记忆复合材料力学性能计算22-24
• 2.3 形状记忆复合材料铰链有限元模拟24-30
• 2.3.1 形状记忆片层正反弯过程对比25-26
• 2.3.2 不同纤维含量的片层弯曲模拟26-28
• 2.3.3 不同弯曲长度的片层弯曲模拟28-29
• 2.3.4 铰链弯曲过程模拟29-30
• 2.4 形状记忆复合材料铰链展开力学性能测试30-37
• 2.4.1 片层加热方式的确定30-32
• 2.4.2 展开滑动平台设计32
• 2.4.3 形状记忆复合材料片层展开测试32-34
• 2.4.4 形状记忆复合材料铰链展开测试34-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第3章 可展开天线结构设计和模态分析38-49
• 3.1 引言38
• 3.2 可展开天线基本结构设计38-39
• 3.2.1 天线构型设计38-39
• 3.2.2 天线基板设计39
• 3.3 形状记忆复合材料铰链模态分析39-44
• 3.3.1 铰链模型的建立39-40
• 3.3.2 材料属性定义40
• 3.3.3 边界条件和网格划分40
• 3.3.4 有限元结果分析40-44
• 3.4 可展开天线模态分析44-48
• 3.4.1 铰链配置位置研究45-47
• 3.4.2 可展开天线展开状态下整体模态分析47-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第4章 可展开天线展开运动分析49-59
• 4.1 引言49
• 4.2 天线展开运动学方程建立49-51
• 4.3 基于ADAMS的平面式可展开天线展开仿真分析51-58
• 4.3.1 可展开天线机构虚拟样机建立51-54
• 4.3.2 天线展开仿真及结果分析54-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第5章 零重力模拟展开实验研究59-66
• 5.1 引言59
• 5.2 零重力模拟实验方法选取59-60
• 5.3 单块平面天线零重力模拟展开实验研究60-63
• 5.3.1 零重力模拟展开实验方案制定60-61
• 5.3.2 气足配置方式设计61
• 5.3.3 单块天线装配流程与工艺方案61-62
• 5.3.4 展开实验结果62-63
• 5.4 单块天线零重力环境模态实验研究63-65
• 5.4.1 模态实验方案设计63-64
• 5.4.2 模态实验和结果分析64-65
• 5.5 本章小结65-66
• 结论66-67
• 参考文献67-73
• 致谢73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 罗鹰,段宝岩;星载可展开天线结构现状与发展[J];电子机械工程;2005年05期

2 齐乃明;张文辉;高九州;霍明英;;空间微重力环境地面模拟试验方法综述[J];航天控制;2011年03期

3 刘松;邹义成;丁瀛;王理强;;大型太阳电池阵模态试验方法[J];航天器环境工程;2013年02期

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1 程清;基于形状记忆复合材料的展开天线设计[D];哈尔滨工业大学;2011年

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本文编号：1023221