一种预防周边桁架式可展开天线索网热致松弛的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达天线技术领域，具体涉及一种预防周边桁架式可展开天线索网热 致松弛的方法。
【背景技术】
[0002] 周边桁架式可展开网状天线由于其轻质量、收拢体积小、周期短的特点，成为了近 年来备受各国宇航界关注的空间可展开天线形式，其结构组成主要包括可展开的周边桁 架、金属反射网、前索网、后索网以及纵向调整索。前索网主要用于支撑所铺设的金属反射 网，后索网主要起平衡作用，纵向调整索用于调节索网的张力分布，使得金属反射面形成所 需要的形面。
[0003] 在现有的设计方法中，周边桁架式可展开网状天线的索网结构往往是通过边界索 直接挂接固连在桁架接头上的，并通过找形设计而处于张拉平衡状态。现有的找形设计往 往在常温不考虑温度载荷的工况下进行，而天线在轨运行时会受到周期性的高低温度工况 的影响，又由于索网和桁架的热胀系数是不匹配的，因此索网的张力会发生显著变化，甚至 出现松弛。若要完全适应太空的热环境，理论上需要对天线进行在轨的实时调整，然而，实 时调整尚处于概念阶段，短期内是很难实现的。因此，如何使得周边桁架式可展开天线能够 很好地适应太空的温度环境，存在一定的困难。
[0004] 杨东武在2010年的博士论文《星载大型可展开索网天线结构设计与形面调整》中 采用极小范数法对天线的索网结构进行了初始预张力设计，并通过迭代补偿的方法进行了 考虑桁架变形的找形设计。该方法未考虑温度对索网天线的影响。
[0005] 欧阳斌在2006年的硕士论文《索膜结构的形态分析和温度效应研宄》中研宄了温 度对索膜结构静力和动力特性的影响，说明温度对索膜结构的张力影响很显著，但是并未 提出能够补偿温度影响的结构设计方法。
[0006] Jingli Du在2013年的论文《Shape adjustment of cable mesh antennas using sequential quadratic programming》中，研宄了考虑加工装配误差时，索网天线的形面调 整方法。但是在本文方法仅仅适用于单一工况下的调整，不能很好地适应不断变化的太空 温度环境。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种预防周边桁架式可展开天线 索网热致松弛的方法，以便能适应太空不断变化的温度环境，防止可展开天线索网热致松 弛影响到天线的性能。
[0008] 本发明的技术方案是，一种预防周边桁架式可展开天线索网热致松弛的方法，其 特征是：至少包括如下步骤：
[0009] 步骤101 :确定天线的基本几何参数，包括：天线的口径D、前网面焦距Ffront、后网 面焦距Fmm及天线高度H ;
[0010] 步骤102 :根据天线的基本几何参数和索网几何逼近精度的要求，对前后索网进 行初始网格划分，初始网格划分包括辐射状网格划分、三向网格划分或者准测地线网格划 分，对前后索网进行初始网格划分后将其作为索网的初始几何构型；并建立索网-桁架组 合结构的有限元模型；该模型中，索网与桁架是共节点的，索网直接固连在桁架节点上，此 时尚未加入补偿装置；
[0011] 步骤103 :根据步骤102所建立的索网-桁架组合结构有限元模型进行找形设计； 找形设计中不考虑温度影响；
[0012] 步骤104 :以步骤103找形后的模型为基础，在桁架的各个接头处安装压缩弹簧结 构作为补偿装置，用于适应温度变化所引起的索网张力的变化，消除或减少预防温度作用 下由于索网和桁架的热胀系数不匹配导致索网发生松弛；
[0013] 步骤105 :根据步骤104安装补偿装置之后的整体结构在温度载荷和预张力共同 作用下的力平衡特性，确定出补偿设计方案中各结构参数之间的相互关系；需要确定的结 构参数包括：各个接头处压缩弹簧的弹性系数K 1、常温预紧平衡状态下索网挂接处距离桁 架接头的水平余量Δ;、常温预紧平衡状态下的弹簧长度Ai2及弹簧的自由伸长长度I；;
[0014] 步骤106 :对步骤103找形设计之后的模型进行热仿真，估算出天线在轨运行最高 温和最低温工况下各个接头处安装的压缩弹簧需要承受的最大力和最小力，及其相对应的 压缩量，利用步骤105得到的结构参数关系，确定压缩弹簧的刚度系数；
[0015] 步骤107 :利用步骤105得到的结构参数关系，确定各个压缩弹簧的自由伸长长度 4及处于常温预紧状态下的压缩弹簧长度△丨，i表示接头编号；
[0016] 步骤108 :确定压缩弹簧的具体参数；首先，结合销轴的尺寸，按照国标选取各个 压缩弹簧中径Di和丝径d S选取压缩弹簧的材料并确定相应的剪切模量Gi;然后，根据压缩 弹簧的刚度公式
【主权项】
1. 一种预防周边巧架式可展开天线索网热致松弛的方法，其特征是；至少包括如下步 骤： 步骤101 ;确定天线的基本几何参数，包括：天线的口径D、前网面焦距后网面焦 距及天线高度H; 步骤102 ;根据天线的基本几何参数和索网几何逼近精度的要求，对前后索网进行初 始网格划分，初始网格划分包括福射状网格划分、=向网格划分或者准测地线网格划分，对 前后索网进行初始网格划分后将其作为索网的初始几何构型；并建立索网-巧架组合结构 的有限元模型；该模型中，索网与巧架是共节点的，索网直接固连在巧架节点上，此时尚未 加入补偿装置； 步骤103 ;根据步骤102所建立的索网-巧架组合结构有限元模型进行找形设计；找形 设计中不考虑温度影响； 步骤104 ;W步骤103找形后的模型为基础，在巧架的各个接头处安装压缩弹黃结构作 为补偿装置，用于适应温度变化所引起的索网张力的变化，消除或减少预防温度作用下由 于索网和巧架的热胀系数不匹配导致索网发生松弛； 步骤105 ;根据步骤104安装补偿装置之后的整体结构在温度载荷和预张力共同作用 下的力平衡特性，确定出补偿设计方案中各结构参数之间的相互关系；需要确定的结构参 数包括：各个接头处压缩弹黃的弹性系数r、常温预紧平衡状态下索网挂接处距离巧架接 头的水平余量A't、常温预紧平衡状态下的弹黃长度a'3及弹黃的自由伸长长度A; 步骤106 ;对步骤103找形设计之后的模型进行热仿真，估算出天线在轨运行最高温和 最低温工况下各个接头处安装的压缩弹黃需要承受的最大力和最小力，及其相对应的压缩 量，利用步骤105得到的结构参数关系，确定压缩弹黃的刚度系数； 步骤107 ;利用步骤105得到的结构参数关系，确定各个压缩弹黃的自由伸长长度4 及处于常温预紧状态下的压缩弹黃长度A';，i表示接头编号； 步骤108 ;确定压缩弹黃的具体参数；首先，结合销轴的尺寸，按照国标选取各个压缩 弹黃中径Qi和丝径di，选取压缩弹黃的材料并确定相应的剪切模量GS然后，根据压缩弹黃 的刚度公式K 巧步骤106所得的刚度系数，计算出压缩弹黃的总圈数nS 8D" 步骤109 ;补偿装置中的结构参数全部得到确定，总体方案设计完成。
2. 根据权利要求1所述的一种预防周边巧架式可展开天线索网热致松弛的方法，其特 征是；所述的步骤105,包括如下步骤： 步骤701 ;对总体结构中巧架的各个接头进行编号，用i表示接头编号，i= 1~n，n为 巧架接头数目； 步骤702 ;安装补偿装置之后的整体结构中需要确定的结构参数包括；各个接头处压 缩弹黃的弹性系数r、常温预紧平衡状态下索网挂接处距离巧架接头的水平余量A!、常温 预紧平衡状态下的弹黃长度A':及弹黃的自由伸长长度4 ; 步骤703 ;根据受力平衡关系，在常温预紧工况、最高温工况及最低温工况下，都应满 足在各接头处压缩弹黃承受的轴向力与该接头处索网张力的水平分量相等，即满足：
式中，巧。、巧m。、巧。，。分别为常温工况T。、最高温工况Tm"、最低温工况Tmi。下接头i 处压缩弹黃所承受的压紧力；和^与分别为最高温工况和最低温工况下弹黃压缩量相 对于常温工况的变化量； 步骤704;结构常温预紧平衡状态下索网挂节点距离巧架接头的水平余量A!与最高温 工况下弹黃压缩量的变化量心；应满足，可^取^( =A4。
3.根据权利要求1所述的一种预防周边巧架式可展开天线索网热致松弛的方法，其特 征是；所述的步骤106,包括如下步骤： 步骤901 ;提取步骤103所得的找形设计之后的索网-巧架组合结构有限元模型； 步骤902 ;令巧架的热胀系数为零，此时二者热胀系数的不匹配性最大化； 步骤903 ;对该结构分别施加最高温度工况Tm"和最低温度工况Tmi。； 步骤904 ;求出索网对各接头作用力的水平分量，作为巧"、和巧"1。的估算值，i表示接头 编号； 步骤905 ;令巧架的热胀系数与索网的热胀系数相等，此时二者不存在热胀系数的不 匹配性； 步骤906 ;对该结构分别施加最高温工况Tm"和最低温工况Tmi。； 步骤907;求出巧架各个接头相对于天线结构中屯、的水平方向的热胀位移和冷缩位 移，作为All和的估算值； 步骤908 ;根据步骤703的式（2)和（3)，可得各接头处的压缩弹黃的刚度系数为
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【专利摘要】本发明公开了一种预防周边桁架式可展开天线索网热致松弛的方法。该方法对于现有的周边桁架可展开天线，在其各个桁架接头处分别安装一个压缩弹簧装置，使其能够自适应地补偿在轨热载荷引起的索网张力变化。新的设计方案中压缩弹簧的刚度系数、自由伸长长度、补偿余量等结构参数，可以通过合理的热仿真分析求得。
【IPC分类】H01Q15-14, H01Q15-16, H01Q1-12, G06F17-50
【公开号】CN104795640
【申请号】CN201510145120
【发明人】杨东武, 杨癸庚, 段宝岩, 张逸群, 杜敬利, 张树新, 宗亚雳, 许万业, 连培园
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年3月30日