环形桁架式天线展开不同步现象分析

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1、2015年2月第1期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechn0109y环形桁架式天线展开不同步现象分析陶成1刘丽坤1周志成1田强2邢志钢3(1中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京100094)(2北京理工大学宇航学院，北京100081)(3清华大学航天航空学院，北京100084)摘要从国外相关文献所反映的地面试验结果看．环形桁架式天线周边的桁架结构由于阻尼等因素在展开过程中存在明显的不同步现象。文章利用绝对节点坐标法建立了天线展开过程的多柔体展开动力学模型，获得了连续展开过程中桁架各部分承受的载荷和变形情况，并重点对展开过程中的不同步现象的产生原因及

2、其影响进行了分析。结果表明，环形桁架式天线展开的不同步现象是由展开过程中桁架的变形与摩擦引起的，这种现象的出现导致桁架结构承受更高的载荷。该研究为环形桁架式天线的设计和验证提供了参考。关键词绝对节点坐标法；展开动力学；不同步现象；多柔体动力学；环形桁架式天线DOI：10．3780／j．issn．1000一758X．2015．01．0011引言随着卫星移动通信技术的不断发展，大型可展开天线的应用需求日益迫切。受运载火箭整流罩空间的限制，大型可展开天线需要在卫星入轨后完成展开。环形桁架式天线由于具有结构形式简明，且在一定范围内口径的增加不会改变结构形式、质量也不会成比例增大等优点，成为

3、当前大型网状可展开天线应用较为广泛的一种结构形式。环形桁架式天线能否顺利展开关系到卫星任务的成败，在实际的天线展开试验中，由于阻尼等因素的存在，周边桁架的各四边形单元会出现展开角度的不一致，即展开不同步现象。这种现象可能使相关构件产生受迫性的非期望应力，加剧了桁架结构杆件所承受的载荷。针对大型可展开天线的展开动力学，国内外学者相继开展了一些研究Ⅲ，然而，专门针对展开不同步现象的仿真与分析尚未见刊。在正常的展开过程中，由于杆件本身的柔性特性、拉索本身的拉力衰减等因素，不同步现象在展开中必然会发生，所以研究不同步现象，首先必须要对天线进行多柔体动力学的建模，才能真实有效地反映出结构的变

4、形，而以往的研究多数从多刚体动力学陪3I、独立广义坐标‘。一，或者中心刚体加柔性附件。61的角度对天线进行建模，不能反映展开结构的柔性特性，也就无法得到杆件结构的受力情况。文献[7]中提出了绝对节点坐标法(AbsoluteNodalCOOrdinateFormulation，ANCF)建模，利用斜率矢量代替传统有限元方法中的节点转角坐标，推导的多体系统微分方程具有常数惯量矩阵、不存在科氏力和离心力等特点，经过相关学者的检验完全可以精确地描述柔性多体系统!s：。本文采用了ANCF法来进行环形桁架式天线的多柔体系统动力学建模，对天线展开的连续过程进行动力学仿真研究，并首次对出现的不同步

5、现象进行了分析。本文研究将对环形桁架式天线的设计与验证提供参考。收稿日期：2014一02一18。收修改稿日期：2014一08—312中国空间科学技术2015年2月环形桁架式天线多柔体动力学建模从20世纪70年代开始，可展开天线发展至今形式多种多样，其中环形桁架式天线的应用较为广泛，如图1和图2所示，它由环形可展开桁架、柔性张力索网、金属反射网、张力弹簧阵等组成。其中环形展开式桁架由若干个平行四边形桁架单元组成，展开过程利用了平行四边形对角线可伸缩的原理，通过电动机收缩一根一次从所有平行四边形单元对角斜杆中穿过的钢丝绳使对角收缩来实现；而柔性张力索网一方面用于附着于金属反射网上，另一

6、方面与张力弹簧阵共同实现天线的预应力加载。与其他天线相比，该种类型天线可应用的范围广(天线的口径可以达到6～150m)，结构形式简明，且在一定范围内口径的增加不改变结构形式，质量也不会成比例增大，是目前大型星载可展开天线的理想结构形式。前r}K』Jf硼JI张／J旧图1环形桁架式天线的结构示意Fig．1StructuralsketchmapofHTDA斜杆●、．，。———一图2桁架的四边形展开单元示意Fig．2Sketchmapofquadrangularcellofantenna2．1基于绝对节点坐标法的桁架构件的建模为了描述可展开天线的结构，在此引入梁单元与缩减梁单元的绝对节点坐

7、标建模[7]，如图3所示，该梁单元长度为z，具有2个节点，每个节点有12个绝对坐标，共有24个广义坐标：q一[口。，口，]7一[r。，r～，，。y，r。：，r，，r，，，，rJ．，，，，，：]1(1)3一式中k，为节点i的位置矢量对全局坐标系z方向的三维偏导数矢量，即r⋯一导，该矢量用来描CU述梁截面沿着z方向的变形；其余绝对坐标的含义类似。在该单元上，任意一点的绝对位移用绝对节点坐标表示为，．一[r，，r。]7一两，其中，Js为形函数，通过采用三阶插值多项式来描述单