充气可展开薄膜反射面结构的型面分析与优化

发布时间：2017-08-06 07:10

  本文关键词：充气可展开薄膜反射面结构的型面分析与优化

  更多相关文章： 充气可展开天线 薄膜反射面 型面精度 初始型面 结构拓扑优化 展开过程分析 球形天线 加工工艺

【摘要】：随着我国国防、航天、通信等领域事业的发展,对充气可展薄膜开反射面天线的需求也在不断提高。工作状态的反射面型面精度是反射面天线从结构角度出发最重要的指标。如果反射面型面精度无法达到预期的使用要求,就会大幅度降低天线的增益,使其失去有效的工作效率影响天线的电性能。因此充气可展开反射面天线的反射面型面精度相关研究不可以忽视。本文以充气可展开薄膜反射面结构为研究对象,基于大量的相关文献查阅,介绍了充气可展开薄膜反射面结构的应用,说明了充气可展开薄膜反射面的关键技术,分析了充气可展开薄膜反射面的研究现状,阐述了本课题的研究意义,并明确了本文的主要研究内容。首先针对薄膜反射面初始无应力状态型面求解问题,基于无矩薄壳理论,推导了考虑薄膜材料正交各向异性的理论解析解,研究了不同边界条件对解析解待定常数的影响,讨论了反射面旋转中轴线处不连续的问题,并做出了合理的解释以及应对措施。引入逆迭代加权找形法,提出了一种高精度的修正逆迭代法,考虑了在逆迭代分析过程中,由非线性有限元分析得到的各节点在垂直旋转轴的投影平面内的位移偏差的影响。其次针对薄膜反射面型面精度优化问题,提出了一种基于结构拓扑优化思路的反射面薄膜厚度优化方法；建立了反射面厚度拓扑优化模型,并推导了目标函数的导数；引入了过滤分析方法,改善了厚度拓扑优化结果,得到了理想最小影响半径。再次,针对薄膜结构的展开过程分析模拟,基于有限质点法,提出一种基于有限单元法的局部坐标系薄膜单元纯变形描述方法。基于Moore-Penrose广义逆矩阵形态解析展开过程分析方法,提出了一种以三角形薄膜单元的变形为本质的改进约束雅可比矩阵。编制了两种方法的相关计算程序。给出了一种应用锥形三浦折纸的薄膜反射面折叠管理方案。然后针对一种1800mm口径的充气可展开球形天线,进行了材料的力学性能试验；进行了反射面裁剪线布置和裁片生成计算；研究了这种充气球形天线的加工工艺；进行了这种球形天线性能测试。最后针对上述充气可展开球形天线的各项参数,进行了相关的力学分析,并评价了对反射面型面精度的影响,包括初始工作状态的充气气压、工作状态承受静力风荷载的拉索布置和固有频率自振模态、热力学整体升温降温等方面的分析研究。通过一系列的理论推导,程序编写和大量数值算例表明了,薄膜反射面初始无应力状态型面分析有助于改善工作状态下的反射面型面精度,基于结构拓扑优化思路的反射面薄膜厚度优化方法能大幅度改善工作状态下的反射面型面精度,合理的薄膜反射面折叠收纳管理方案有助于薄膜展开有序稳定。通过一系列设计、分析和试验表明了一种充气可展开球形天线具有良好的天线工作性能和稳定的反射面型面精度。
【关键词】：充气可展开天线 薄膜反射面 型面精度 初始型面 结构拓扑优化 展开过程分析 球形天线 加工工艺
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V443.4
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-17
• 1 绪论17-46
• 1.1 引言17-18
• 1.2 充气可展开反射面的应用发展18-30
• 1.2.1 既往应用18-27
• 1.2.2 优缺点27-29
• 1.2.3 发展前景29-30
• 1.3 充气可展开反射面的关键参数30-37
• 1.3.1 天线主要性能参数30
• 1.3.2 抛物反射面天线工作原理30-31
• 1.3.3 抛物反射面天线的增益31-32
• 1.3.4 抛物反射面天线的型面精度32-35
• 1.3.5 反射面天线的最佳拟合抛物面35-37
• 1.4 充气可展开反射面的研究现状37-43
• 1.4.1 材料技术研究38
• 1.4.2 型面分析研究38-40
• 1.4.3 优化与型面调整40-41
• 1.4.4 可展开分析研究41-42
• 1.4.5 制造与测试技术研究42-43
• 1.5 课题研究意义及本文主要工作43-46
• 1.5.1 课题的研究意义43-44
• 1.5.2 本文的主要工作44-46
• 2 正交异性材料薄膜结构有限元分析46-69
• 2.1 引言46
• 2.2 几何非线性有限元法46-54
• 2.2.1 应力应变度量46-49
• 2.2.2 虚位移原理49-51
• 2.2.3 有限元方程51-53
• 2.2.4 有限元解法53-54
• 2.3 局部坐标系膜单元刚度矩阵54-58
• 2.3.1 位移函数54-56
• 2.3.2 几何关系56-57
• 2.3.3 物理关系57
• 2.3.4 平衡方程57-58
• 2.4 整体坐标系膜单元刚度矩阵58-61
• 2.4.1 局部与整体坐标系的转换关系58-60
• 2.4.2 整体坐标系下的刚度矩阵60-61
• 2.5 材料坐标系与材料矩阵61-64
• 2.5.1 交异性材料矩阵61
• 2.5.2 材料坐标系转换关系61-63
• 2.5.3 单元材料坐标的处理63-64
• 2.6 算例验证64-68
• 2.6.1 算例模型64-65
• 2.6.2 算例结果65-68
• 2.6.3 结论分析68
• 2.7 本章小结68-69
• 3 薄膜反射面初始型面分析69-94
• 3.1 引言69-70
• 3.2 初始型面理论分析70-83
• 3.2.1 无矩薄壳理论70-76
• 3.2.2 初始型面理论解76-81
• 3.2.3 考虑正交异性材料81-83
• 3.3 初始型面数值分析83-89
• 3.3.1 逆向迭代试算法84-86
• 3.3.2 修正逆迭代法原理86-88
• 3.3.3 分析步骤88-89
• 3.4 算例验证89-93
• 3.4.1 理论分析算例89-90
• 3.4.2 数值分析算例90-92
• 3.4.3 算例比较92-93
• 3.5 本章小结93-94
• 4 薄膜反射面型面优化分析94-117
• 4.1 引言94-95
• 4.2 移动渐近线算法95-100
• 4.2.1 基本原理95-96
• 4.2.2 等效约束方程96-98
• 4.2.3 子问题求解98-100
• 4.3 反射面厚度优化100-108
• 4.3.1 优化模型100-102
• 4.3.2 敏感度分析102-105
• 4.3.3 过滤分析105-107
• 4.3.4 优化流程107-108
• 4.4 算例分析108-116
• 4.4.1 不考虑过滤分析的算例109-113
• 4.4.2 考虑过滤分析的算例113-115
• 4.4.3 优化参数分析115-116
• 4.5 本章小结116-117
• 5 薄膜反射面的管理与展开117-150
• 5.1 引言117-118
• 5.2 有限质点法118-130
• 5.2.1 基本原理118-119
• 5.2.2 求解方程119-120
• 5.2.3 三角形薄膜单元120-123
• 5.2.4 褶皱与碰撞处理123-127
• 5.2.5 计算流程127-128
• 5.2.6 充气展开算例128-130
• 5.3 广义逆矩阵形态解析130-146
• 5.3.1 基本原理130-133
• 5.3.2 求解方法133-134
• 5.3.3 薄膜可展开结构的约束134-138
• 5.3.4 薄膜单元等效质量138-139
• 5.3.5 数值误差主动校正139-140
• 5.3.6 分析流程140-141
• 5.3.7 折叠展开算例141-143
• 5.3.8 考虑弹性变形分析的讨论143-146
• 5.4 反射面收纳管理146-149
• 5.4.1 锥形三浦折纸147-148
• 5.4.2 反射面管理应用148-149
• 5.5 本章小结149-150
• 6 充气球形天线试验与加工150-174
• 6.1 引言150-151
• 6.2 材料性能试验151-160
• 6.2.1 反射面材料单轴试验151-154
• 6.2.2 反射面材料双轴试验154-157
• 6.2.3 球面材料单轴试验157-158
• 6.2.4 胶水粘结强度试验158-159
• 6.2.5 试验总结159-160
• 6.3 裁片生成分析160-165
• 6.3.1 测地线裁剪160-163
• 6.3.2 曲面展开分析163-165
• 6.4 加工工艺研究165-171
• 6.4.1 工艺流程166-171
• 6.4.2 关键技术171
• 6.5 天线性能测试171-173
• 6.6 本章小结173-174
• 7 充气球形天线的参数分析174-195
• 7.1 引言174
• 7.2 初始模型参数174-182
• 7.2.1 初始有限元模型174-176
• 7.2.2 各工况与计算结果176-180
• 7.2.3 分析与结论180-182
• 7.3 球形天线拉索布置182-191
• 7.3.1 部件与组装182-183
• 7.3.2 拉索布置模型与工况183-185
• 7.3.3 静力计算结果与分析185-189
• 7.3.4 振型计算结果与分析189-191
• 7.4 温度载荷分析191-194
• 7.4.1 模型参数191-192
• 7.4.2 计算结果192-193
• 7.4.3 结果分析193-194
• 7.5 本章小结194-195
• 8 结论与展望195-199
• 8.1 本文主要结论195-197
• 8.2 展望197-199
• 参考文献199-214
• 作者简历214-215

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