大型空间索网—框架组合结构形面精度保持设计方法

发布时间：2017-09-30 06:22

  本文关键词：大型空间索网—框架组合结构形面精度保持设计方法

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【摘要】：索网-框架组合结构是国内外目前正在研制和规划的、实现航天器任务目标的一大类关键结构,其柔性索网结构在内部张力和支撑框架的共同作用下形成满足精度要求的形状。空间索网-框架组合结构存在大柔性、非线性以及多学科耦合等问题,加之工作于热场、力场、电场等多场耦合和大动载等极端恶劣工况,导致结构性能保障设计面临前所未有的挑战。此外,为了满足空间攻防、在轨建设以及轨道机动的迫切需求,空间索网-框架组合结构朝着大尺度、高精度、高频段方向发展,其大型化发展需求与展开锁定后功能形面精度之间是矛盾的。为此,论文从拓扑构型的静力确定性与形面主动控制的环境适应性两方面,系统研究了索网-框架组合结构拓扑构型综合、非线性动力学分析以及空间工作环境下形面主动控制的相关理论和关键技术。主要研究内容与成果总结如下:为了保证网状形面在外荷载作用下的长期尺度稳定性,研究了索网-框架组合结构拓扑构型综合方法。阐述了广义Maxwell准则以及四种结构体系的划分原则与数学内涵。基于广义Maxwell准则,提出了AstroMesh天线与伞状天线的静力与运动确定性网面拓扑构型生成方法。综合出了14种新型AstroMesh天线以及3种新型伞状天线的静力与运动确定性网面拓扑构型。为了解决高的静态形面精度保持问题,研究了索网结构形面主动调整方法。从系统集成设计思路出发,将压电陶瓷作动器与柔性索相集成,形成柔性主动索网结构。基于有限元法,建立了柔性主动索网结构的集成建模方法,提出了索网结构形面主动调整模型:无约束的解析解和约束的二次优化策略与极小极大策略。仿真结果表明通过施加合理的作动电压,主动索能够极大提高索网结构形面精度。此外,二次优化策略的调整效果与计算效率均优于极小极大策略。为了探究索网结构非线性振动特性对形面精度影响,研究了空间索网结构非线性动力学建模与内共振分析。考虑预张力与几何非线性的影响,建立了空间索网结构包含平方和立方位移非线性的动力学方程。推导了单自由度共振下索网结构许用动态负载表达式,包括三种共振情况:弱激励主共振、强激励超谐波共振、强激励次谐波共振。研究了索网结构两自由度1:1内共振的稳态位移二阶渐进解以及解的稳定性。仿真结果表明索网结构几何非线性对其动力学响应有较大影响,且响应依赖于初始条件、频响曲线弯曲程度与跳跃现象。为了揭示空间工作环境下索网-框架组合结构的非线性振动特性,研究了索网-框架组合结构的热-弹耦合动力学建模与参数共振分析。通过将结构应变考虑为热应变和弹性应变的线性叠加,建立索网-框架组合结构热-弹耦合动力学方程。利用多尺度扰动技术,同时考虑外激励主共振、1:2内共振以及1:2热参数共振,推导了结构稳态共振位移的一阶渐进解以及节点与单元的非线性功率流解析表达式。仿真结果表明与立方非线性相比,平方非线性对索网-框架组合结构的热致非线性振动影响更大,且验证了索网-框架组合结构非线性响应存在饱和、分岔等现象。为了解决高的动态形面精度控制问题,研究了空间索网结构的主动控制策略。基于索结构波动方程,推导了表征索力与位移传递关系的波导方程,借助行波分析方法,通过力平衡条件和位移协调条件,建立了柔性索网结构的行波动力学模型。其次,根据波吸收原理,以被控制点的净功率流加权和最小为目标,建立了波动主动控制优化模型。利用波动控制力和模态阻尼、固有频率间的映射关系,以扰动到评价输出闭环传递函数的二范数最小为目标,建立了波动/模态复合主动控制优化模型。研究结果表明行波法比传统有限元法形式更简单、计算精度与效率更高。复合主动控制能有效解决传统模态控制的高频溢出和模态截断问题,且能给出更宽频带的鲁棒控制。
【关键词】：索网-框架组合结构 形面精度 拓扑综合 主动调整 非线性共振 行波动力学 波动/模态复合控制
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V423
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 符号对照表14-16
• 缩略语对照表16-20
• 第一章 绪论20-28
• 1.1 研究背景及意义20
• 1.2 国内外研究现状及分析20-24
• 1.2.1 索网-框架组合结构静力学研究现状22-23
• 1.2.2 索网-框架组合结构动力学研究现状23-24
• 1.3 当前研究存在的问题24-25
• 1.4 研究内容与关键问题25
• 1.5 论文组织与结构安排25-28
• 第二章 索网-框架组合结构拓扑构型综合28-44
• 2.1 引言28
• 2.2 广义Maxwell准则28-30
• 2.3 网状反射面结构分段数30-33
• 2.4 AstroMesh天线拓扑构型研究33-39
• 2.4.1 天线结构静力与运动特性33-34
• 2.4.2 网面拓扑构型综合方法34-35
• 2.4.3 静力与运动确定性网面构型35-39
• 2.5 伞状天线拓扑构型研究39-42
• 2.6 本章小结42-44
• 第三章 空间索网结构形面主动调整44-58
• 3.1 引言44
• 3.2 索网结构有限元建模44-49
• 3.2.1 被动索结构建模45-46
• 3.2.2 压电陶瓷作动器建模46-48
• 3.2.3 主动索结构集成建模48-49
• 3.3 索网结构形面主动调整49-52
• 3.3.1 形面主动调整目标49-51
• 3.3.2 形面主动调整建模与求解51-52
• 3.4 索网反射面主动调整案例52-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第四章 空间索网结构非线性动力学分析58-80
• 4.1 引言58-59
• 4.2 索网结构非线性动力学建模59-65
• 4.2.1 索网结构耦合动力学建模59-62
• 4.2.2 索网结构动力学方程解耦62
• 4.2.3 索网结构动力学模型验证62-65
• 4.3 索网结构单自由度非线性分析65-71
• 4.3.1 单自由度弱激励主共振65-66
• 4.3.2 单自由度强激励超谐波共振66-67
• 4.3.3 单自由度强激励次谐波共振67-68
• 4.3.4 索网反射面单自由度共振案例68-71
• 4.4 索网结构多自由度内共振分析71-78
• 4.4.1 索网结构稳态共振二阶渐进解72-75
• 4.4.2 索网结构共振响应与稳定性分析75-78
• 4.5 本章小结78-80
• 第五章 索网-框架组合结构热参数共振80-96
• 5.1 引言80-81
• 5.2 索网-框架组合结构热-弹耦合动力学建模81-86
• 5.2.1 索结构热-弹耦合动力学建模82
• 5.2.2 梁结构热-弹耦合动力学建模82-83
• 5.2.3 组合结构热-弹耦合动力学方程83-84
• 5.2.4 热-弹耦合动力学模型验证84-86
• 5.3 索网-框架组合结构多尺度扰动分析86-92
• 5.3.1 索网-框架组合结构稳态共振一阶渐近解86-89
• 5.3.2 索网-框架组合结构共振响应与稳定性分析89-92
• 5.4 索网-框架组合结构非线性功率流92-95
• 5.4.1 组合结构节点与单元功率流92-93
• 5.4.2 平面索网-框架组合结构案例93-95
• 5.5 本章小结95-96
• 第六章 索网结构波动动力学与主动控制96-116
• 6.1 引言96-98
• 6.2 索网结构行波动力学建模98-107
• 6.2.1 索结构波导方程98-100
• 6.2.2 索网结构行波模型100-103
• 6.2.3 行波动力学模型验证103-107
• 6.3 索网结构波动/模态复合控制107-110
• 6.3.1 波动主动控制建模107-108
• 6.3.2 波动/模态复合控制建模108-110
• 6.4 复合主动控制案例110-115
• 6.5 本章小结115-116
• 第七章 总结与展望116-120
• 7.1 研究总结116-117
• 7.2 研究展望117-120
• 参考文献120-128
• 致谢128-130
• 作者简介130-132

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