展开速度对天线展开过程动力学影响分析.pdf

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1、机械工程师MECHANICALENGINEER展开速度对天线展开过程动力学影响分析胡建峰，肖勇(中国空间技术研究院西安分院，西安710100)摘要：针对某大型椭圆周边桁架天线展开过程动力学研究，采用几何精确梁理论对杆件建模，一维移动介质单元法对驱动绳索建模，结合对变形较小的铰链、斜杆做刚性假设，实现对整个天线动力学建模；通过在不同展开速度下仿真，得到不同条件下驱动力、杆件总弹性势能、纵杆最大弯曲应力随展开时间变化曲线：通过对仿真数据分析发现，随着展开速度降低，驱动力峰值、杆件总弹性势能、纵杆最大弯曲应力也会下降。该研究为天线展开策略规划提供了参考。关键词：天线展开速度；椭圆环形天线；几何

2、精确梁理论；一维移动介质单元中图分类号：0345；TP391．7文献标志码：A文章编号：1002—2333(2016)05—0053—040引言周边桁架式可展开天线由于具有易折叠、收纳率高、空间热稳定性好、易于实现大型化、质量不随口径增大而成比例增加等特点而被各国广泛研究和应用I】-2I。目前，可展开天线多采用圆形口径的空间可展开桁架结构；但是研究发现，圆形口径桁架结构多用于正馈天线，由于其结构限制，若将其用于偏馈天线中会使天线构件受力存在较大缺陷。鉴于此，通过对偏馈天线几何设计的研究发现，相较于圆环形结构，如图l所示椭圆口径桁架结构更具优势。椭圆环形天线主要由环形周边桁架、主网、副网、

3、金属反射网和张力阵组成。其周边桁架由如图2所示的四边形单元组成，和圆环形结构不同，椭圆环结构的T型铰和同步铰可绕纵杆方向转动。椭圆桁架天线展开过程一般分为预展阶段和电动机驱动展开阶段。在预展阶段，天线由收拢状态开始解锁，通过放置在同步铰内扭簧的作用，天线展开角由0。变化到一定角度，到达展开初始位置。在展开阶段，驱动电动机启动，带动贯穿于斜杆内的绳索收缩，从而使天线逐渐展开；当天线展开到位时，放置于粗斜杆和细斜杆之间的定位装置开始作用，使整个系统固定于预基金项目：国家自然科学基金资助项目(11402196)定展开位置。展开过程是可展开天线最容易出现问题的环节之一，杆件破坏、驱动绳索断裂是必

4、须避免的故障。在以往周边桁架天线展开过程动力学研究中，大多从多刚体动力学M、柔性部件小变形假设17l角度对天线建模，这类建模方法难以合理描述柔性部件变形情况；在大变形杆件建模时，陶成等18l在未考虑结构中的铰链等部件影响的前提下，基于绝对节点坐标法对天线建模，并对展开过程中的不同步现象的产生原因及其影响进行了分析。本文采用几何精确梁理论对横杆、纵杆以及锁网建模，一维移动介质理论对驱动绳建模，并对变形较小的铰链及斜杆做刚性假设，实现对整个天线动力学建模，通过在不同展开速度下仿真，得到展开过程中驱动绳受力、纵杆最大弯曲应力以及杆件总弹性势能随展开时间变化规律，分析得到降低展开速度可有效降低驱

5、动力幅值、杆件总弹性势能幅值以及纵杆最大弯曲应力幅值。1椭圆环形天线动力学建模，．J柔性单元建模几何精确梁理论卜·弓黾simo和vu—Quoc在文献[13]～[14]的基础上提出来的。在几何精确梁理论中，梁截面曲率定义式是几何精确的，对三维任意大转动均成立。根据几何精确梁理论，空间运动的梁单元允许发生i个方向的平动和转动，但梁截面仍然保持刚性，因此只要确定梁中心任意一点位置和姿态即确定梁的构型。本文采用转动向量p来描述截面质心坐标系的姿态。我们选取梁左右两端中心线位置，和转动向量p作为广义坐标描述梁的构型，如图3所示，C。、C、c：分别指由各自转动向量确定的截面坐标系。则梁单元的广义坐标

6、可表示为吼=[ripirTPjITo(1)对于单元内中心线任意一点位置在全局坐标系下进行线性插值：对于转动向量插值，Simo最初直接进行线性插值；Crisfield和JelnicI晤嘴出转动向量是一个伪矢量，不具备矢量性质，并指出给单元施加刚体转动，通过插值后得到的应变与未施加刚体转动时不一致；他们提出在参考坐标系下对转动向量进行线性插值，该插值方法很好网址：www．jxgcs．corn电邮：hrbengineer@163．com2016年第5期l53机械工程师MECHANICALENGINEER地解决应变不唯一问题。本文选择Crisfield和Jelnic提出的方法进行插值；选择单元第

7、一个节点转动向量确定的坐标系为参考坐标系，则单元内中心线任意一点位置，、相对转动向量p可表达为：f，：(1《)，l也；⋯【pr-(1《)pi却；o式中：孝∈[0，1]是梁单元内参数坐标；r。、，：为两端点在全局坐标系下位置；p：、蜞为两端点在参考坐标系下的转动向量。对于直梁单元，其动能可表达为瓦=÷fⅡ础丹+历俪]d孝。(3)其中：p为梁的密度；A为截面面积；J=diag(Jo，^．如)为截面的转动惯量江为梁单元长度；动参考坐标系下