层合复合抛物壳天线机构指向行为动力学分析

发布时间：2020-08-20 07:21

【摘要】：星载天线作为深空探索及通讯的重要航天器,其成像清晰度和指向稳定性要求极高,在低外阻的空间环境下,天线反射面在进行大幅动态定位、指向跟踪运动时被激发的非线性大变形极难耗散,形面精度的下降将极大地影响其成像/指向精度及稳定性,因此研究天线反射面在动态指向过程中的动力学性质并对其进行振动控制具有极大的工程意义。现阶段天线反射面多采用性能优异的层合复合材料,且其截面通常是抛物线形的,故本文将针对层合复合材料抛物反射面系统进行考虑非线性因素的刚-柔耦合动力学建模及研究。本文针对作大幅定位指向运动的层合复合抛物反射面系统进行动力学建模,同时着重研究非线性因素对其系统动力学性质的影响。首先表达其非线性几何特性,再利用Reddy高阶剪切变形理论推导其非线性本构关系式,在进行有限元离散化后推导其运动学表达式,利用Hamilton变分原理建立考虑非线性因素的大幅定位指向运动下层合复合抛物壳天线系统的动力学模型,并推导其非线性刚-柔耦合动力学方程。从建立的非线性动力学模型和实际工况出发,通过搭建空间大幅定位指向运动试验台并加工层合/均质复合材料抛物反射面模型,针对反射面模型展开动态指向试验分析。首先对试验采集源数据进行模态截断滤波,进而拟合层合/均质复合材料抛物反射面模型弹性变形曲线及试验/理论弹性变形曲线,验证建模过程中考虑层合结构非线性本构关系必要性,同时对建模过程中考虑的三种非线性因素及其耦合关系对星载天线成像/指向精度的影响进行分析及验证。通过对层合复合抛物反射面模型的动态指向算例分析验证本文所建模型的正确性和合理性,并进行推广。分别以数组不同截面投影函数、不同层合属性的层合抛物反射面模型为研究对象,针对层合复合抛物反射面的截面抛物线投影函数、层合结构参数对非线性动力学模型进行算例分析,验证非线性几何特性和非线性本构关系对星载天线成像/指向精度的影响,进一步验证动力学方程的正确性与适应性。最后做出总结,简述研究的三种非线性因素及其耦合效应对搭载层合复合抛物反射面的星载天线在大幅动态指向过程中对其成像/指向精度的影响,为实际工程中星载抛物反射面天线的动态定位、指向跟踪等行为精度的提高提供理论依据和研究基础,同时为层合结构抛物壳多柔体动力学研究提供借鉴和参考。
【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】：2018
【分类号】：TN820;V443.4
【图文】：

层合,壳单元,拉梅常数

(2-8)和式(2-9)中，得出平行圆周曲率半径coscpR (2-10)将式(2-10)代入式(2-8)，抛物反射面纬线曲率半径为2 22 2 22 3sin1 sincoscm cR pR p Rp (2-11)由以上推导可得抛物回转壳的拉梅常数为3cosmp R (2-12)sinsincoscpR (2-13)在本节中，根据抛物壳的投影函数进行了数学分析，利用几何关系推导出对抛物壳的拉梅常数，为之后利用拉梅常数进行坐标表达的推导（诸如层物壳构关系的推导）和描述动力学方程中的几何非线性打下基础。层合复合抛物反射面的非线性本构关系

试验平台,实现原理,模组

a) 平移自由度 b) 旋转自由度图 3-1 试验平台运动实现原理图如上图 3-1 所示，三个平动自由度由四组直线模组实现，其中： x轴方向负载较大、且对支持位置要求较高，故 x轴方向平动部件为两组平行分布的由联轴器连接的直线模组组成；y 轴方向负载较大，在一组直线模组基础上，添加一组导轨-滑块支撑； z轴方向为单组直线模组驱动。该部分电机（脉冲型松下交流伺服电机）型号为： MSMJ042G1V ，配套驱动器型号为：MBDKT2510CA1，如图 3-2 所示。

脉冲型,驱动器,模组,自由度

自由度 b) 旋转图 3-1 试验平台运动实现原理图示，三个平动自由度由四组直线模组实位置要求较高，故 x轴方向平动部件组组成；y 轴方向负载较大，在一组撑； z轴方向为单组直线模组驱动。该）型号为： MSMJ042G1V ，配套如图 3-2 所示。

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