基于相似理论的环形桁架天线振动相似性分析

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1、哈尔滨工业大学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景与研究的目的及意义本课题来源于飞行器总体设计部“高轨SAR卫星”项目。卫星星载天线结构是卫星系统中重要的组成部分，是执行卫星工作任务、保证卫星数据传输、信息通讯、接收地面指令以及获取高分辨率图像的重要工作平台。卫星天线结构已逐步向大型化、复杂化方向发展，以满足卫星多功能、大容量、多谱段、大功率、大寿命等重要功能[1]。例如，卫星的高分辨率成像系统需要大型卫星星载天线，通过微波成像功能来满足卫星的成像精度。卫星从发射阶段到在轨工作过程中，星载天线结构都处于恶劣的工作环境中：一方面，卫星搭载火箭在起飞阶段，需要受到各方向强烈的瞬态冲击载荷以及长时间

2、的加速度过载、喷气噪声等；另一方面，卫星在太空工作过程中，受到高低温交变、强辐射、高速碰撞等载荷影响，且自身变轨、姿态调整过程中都需要受到自身星本体内部的反作用轮、喷气系统等干扰。这些载荷和干扰既可以直接对星载天线结构造成破坏，又可以通过引起星体的振动进而引发星载天线的共振，造成天线结构的失效，最终导致卫星无法继续正常工作。因此，星载天线的振动成为了卫星在轨良好工作的关键问题之一。要避免星载天线结构在轨工作过程中发生共振，首要问题是了解其结构振动特性。振动特性，主要包括结构模态特性、以及输入结构的激励与结构输出响应间的传递函数或频响函数关系。准确获取结构固有频率、模态阵型等模态特性是了解结构振

3、动响应的前提，在得知结构模态信息后，可以进一步分析结构在各种外界激励作用下，结构在固有频率上的共振响应大小，有效降低结构的振动水平，并为结构优化设计提供理论依据。了解星载天线结构振动特性的方法主要有数值仿真与模拟试验两类。数值仿真主要通过计算机，利用各类软件对其建立力学模型，通过数值仿真的方法得到结构模态特征信息、结构在各类载荷激励下的响应曲线及载荷传递曲线。随着有限元技术的发展，通过计算机基本可以建立准确的力学模型。但通过有限元建模及数值计算得到的结构振动特性，在一定程度上说，是结构在理想状态下的力学特性。结构实际的结构动力学特性受到环境、试验条件、结构本身材料属性、人为因素等条件干扰。因此

4、，模拟试验是了解星载天线结构振动特性更为准确的方法，数值仿真得到的结构振动特性分析结果可以为结构的模拟试验提供理论依据。-1-哈尔滨工业大学硕士学位论文模拟试验可以获取星载天线结构在实际工作状态下的结构振动特性，其结果更加真实准确，同时，其结果也可以用于数值仿真有限元模型的校核。但在实际工程模拟试验中，由于星载天线结构复杂，尺寸庞大，对天线原型开展模拟试验受到地面试验条件、试验手段、试验仪器、场地限制以及经济因素等限制。因此，建立星载天线结构缩比模型，对其缩比模型开展试验，可以有效解除上述因素的限制，通过缩比模型试验结果预测大型星载天线的结构振动特性，缩短研制周期，节约财力物力。准确建立原型结

5、构与其缩比模型之间的相似关系，成为了缩比模型模拟试验有效性的关键问题。综上所述，建立星载天线原型结构和缩比模型结构之间准确的相似缩比关系，并基于相似缩比模型开展地面模拟试验，成为研究星载天线结构振动问题的关键。1.2国内外研究现状及分析1.2.1相似理论研究现状相似理论的主要理论体系，是相似三定理[2]。其内容经过学者们的研究，逐步发展并丰富。1848年，法国学者J.Bertrand概括了相似现象的相似性质，总结了现象相似的必然结果，并提出了相似第一定理[3]。相似第一定理将相似现象通过对物理量的分析表达了出来，为之后的相似理论研究奠定了基础。1914年，美国学者J.Buckingham通过对

6、物理量纲的分析，提出了相似第二定理，即定理[3]。相似第二定理将相互独立物理量写作函数关系，通过物理量纲系统表示各物理量的单位，揭示了物理量之间的相互关系，在现代的相似分析中，也大多采用相似第二定理作为研究的理论基础。1930年，前苏联学者M.B.基尔皮契夫[4]总结了物理现象相似中的单值条件，并提出了相似第三定理。这三项相似定理，构成了相似理论体系，并为相似理论的深入研究奠定了理论基础，国内和国外众多学者对于相似理论进行了大量理论研究，同时，基于相似缩比模型开展了试验研究。航空航天领域中应用相似理论从事研究的成果较为丰富：美国NASA于1971年研制的航天飞机，采用1/15缩比模型，将机身

7、等效为采用弹簧连接的梁模型[5]，此后又建立了航天飞机1/8模型，虽然将航天飞机模型进行了简化，但缩比模型保持了航天飞机的刚度及质量特性[6]；Bernstein[7]等利用Nastran对航天飞机1/8缩比模型进行了有限元分析，其原型与缩比模型有限元分析结果误差较小，在10%以内；Blanchard[8]通过振动试验，研究了1/8非对称航天飞机的结构动力学特性问题，试-2-哈尔滨工业大学硕士学位