本文關(guān)鍵詞：充氣可展開(kāi)薄膜反射面結(jié)構(gòu)的型面分析與優(yōu)化

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【摘要】：隨著我國(guó)國(guó)防、航天、通信等領(lǐng)域事業(yè)的發(fā)展,對(duì)充氣可展薄膜開(kāi)反射面天線的需求也在不斷提高。工作狀態(tài)的反射面型面精度是反射面天線從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)最重要的指標(biāo)。如果反射面型面精度無(wú)法達(dá)到預(yù)期的使用要求,就會(huì)大幅度降低天線的增益,使其失去有效的工作效率影響天線的電性能。因此充氣可展開(kāi)反射面天線的反射面型面精度相關(guān)研究不可以忽視。本文以充氣可展開(kāi)薄膜反射面結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,基于大量的相關(guān)文獻(xiàn)查閱,介紹了充氣可展開(kāi)薄膜反射面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,說(shuō)明了充氣可展開(kāi)薄膜反射面的關(guān)鍵技術(shù),分析了充氣可展開(kāi)薄膜反射面的研究現(xiàn)狀,闡述了本課題的研究意義,并明確了本文的主要研究?jī)?nèi)容。首先針對(duì)薄膜反射面初始無(wú)應(yīng)力狀態(tài)型面求解問(wèn)題,基于無(wú)矩薄殼理論,推導(dǎo)了考慮薄膜材料正交各向異性的理論解析解,研究了不同邊界條件對(duì)解析解待定常數(shù)的影響,討論了反射面旋轉(zhuǎn)中軸線處不連續(xù)的問(wèn)題,并做出了合理的解釋以及應(yīng)對(duì)措施。引入逆迭代加權(quán)找形法,提出了一種高精度的修正逆迭代法,考慮了在逆迭代分析過(guò)程中,由非線性有限元分析得到的各節(jié)點(diǎn)在垂直旋轉(zhuǎn)軸的投影平面內(nèi)的位移偏差的影響。其次針對(duì)薄膜反射面型面精度優(yōu)化問(wèn)題,提出了一種基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化思路的反射面薄膜厚度優(yōu)化方法；建立了反射面厚度拓?fù)鋬?yōu)化模型,并推導(dǎo)了目標(biāo)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)；引入了過(guò)濾分析方法,改善了厚度拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,得到了理想最小影響半徑。再次,針對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的展開(kāi)過(guò)程分析模擬,基于有限質(zhì)點(diǎn)法,提出一種基于有限單元法的局部坐標(biāo)系薄膜單元純變形描述方法�；贛oore-Penrose廣義逆矩陣形態(tài)解析展開(kāi)過(guò)程分析方法,提出了一種以三角形薄膜單元的變形為本質(zhì)的改進(jìn)約束雅可比矩陣。編制了兩種方法的相關(guān)計(jì)算程序。給出了一種應(yīng)用錐形三浦折紙的薄膜反射面折疊管理方案。然后針對(duì)一種1800mm口徑的充氣可展開(kāi)球形天線,進(jìn)行了材料的力學(xué)性能試驗(yàn)；進(jìn)行了反射面裁剪線布置和裁片生成計(jì)算；研究了這種充氣球形天線的加工工藝；進(jìn)行了這種球形天線性能測(cè)試。最后針對(duì)上述充氣可展開(kāi)球形天線的各項(xiàng)參數(shù),進(jìn)行了相關(guān)的力學(xué)分析,并評(píng)價(jià)了對(duì)反射面型面精度的影響,包括初始工作狀態(tài)的充氣氣壓、工作狀態(tài)承受靜力風(fēng)荷載的拉索布置和固有頻率自振模態(tài)、熱力學(xué)整體升溫降溫等方面的分析研究。通過(guò)一系列的理論推導(dǎo),程序編寫和大量數(shù)值算例表明了,薄膜反射面初始無(wú)應(yīng)力狀態(tài)型面分析有助于改善工作狀態(tài)下的反射面型面精度,基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化思路的反射面薄膜厚度優(yōu)化方法能大幅度改善工作狀態(tài)下的反射面型面精度,合理的薄膜反射面折疊收納管理方案有助于薄膜展開(kāi)有序穩(wěn)定。通過(guò)一系列設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)表明了一種充氣可展開(kāi)球形天線具有良好的天線工作性能和穩(wěn)定的反射面型面精度。
【關(guān)鍵詞】：充氣可展開(kāi)天線 薄膜反射面 型面精度 初始型面 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化 展開(kāi)過(guò)程分析 球形天線 加工工藝
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V443.4
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-17
• 1 緒論17-46
• 1.1 引言17-18
• 1.2 充氣可展開(kāi)反射面的應(yīng)用發(fā)展18-30
• 1.2.1 既往應(yīng)用18-27
• 1.2.2 優(yōu)缺點(diǎn)27-29
• 1.2.3 發(fā)展前景29-30
• 1.3 充氣可展開(kāi)反射面的關(guān)鍵參數(shù)30-37
• 1.3.1 天線主要性能參數(shù)30
• 1.3.2 拋物反射面天線工作原理30-31
• 1.3.3 拋物反射面天線的增益31-32
• 1.3.4 拋物反射面天線的型面精度32-35
• 1.3.5 反射面天線的最佳擬合拋物面35-37
• 1.4 充氣可展開(kāi)反射面的研究現(xiàn)狀37-43
• 1.4.1 材料技術(shù)研究38
• 1.4.2 型面分析研究38-40
• 1.4.3 優(yōu)化與型面調(diào)整40-41
• 1.4.4 可展開(kāi)分析研究41-42
• 1.4.5 制造與測(cè)試技術(shù)研究42-43
• 1.5 課題研究意義及本文主要工作43-46
• 1.5.1 課題的研究意義43-44
• 1.5.2 本文的主要工作44-46
• 2 正交異性材料薄膜結(jié)構(gòu)有限元分析46-69
• 2.1 引言46
• 2.2 幾何非線性有限元法46-54
• 2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變度量46-49
• 2.2.2 虛位移原理49-51
• 2.2.3 有限元方程51-53
• 2.2.4 有限元解法53-54
• 2.3 局部坐標(biāo)系膜單元?jiǎng)偠染仃?/span>54-58
• 2.3.1 位移函數(shù)54-56
• 2.3.2 幾何關(guān)系56-57
• 2.3.3 物理關(guān)系57
• 2.3.4 平衡方程57-58
• 2.4 整體坐標(biāo)系膜單元?jiǎng)偠染仃?/span>58-61
• 2.4.1 局部與整體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系58-60
• 2.4.2 整體坐標(biāo)系下的剛度矩陣60-61
• 2.5 材料坐標(biāo)系與材料矩陣61-64
• 2.5.1 交異性材料矩陣61
• 2.5.2 材料坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系61-63
• 2.5.3 單元材料坐標(biāo)的處理63-64
• 2.6 算例驗(yàn)證64-68
• 2.6.1 算例模型64-65
• 2.6.2 算例結(jié)果65-68
• 2.6.3 結(jié)論分析68
• 2.7 本章小結(jié)68-69
• 3 薄膜反射面初始型面分析69-94
• 3.1 引言69-70
• 3.2 初始型面理論分析70-83
• 3.2.1 無(wú)矩薄殼理論70-76
• 3.2.2 初始型面理論解76-81
• 3.2.3 考慮正交異性材料81-83
• 3.3 初始型面數(shù)值分析83-89
• 3.3.1 逆向迭代試算法84-86
• 3.3.2 修正逆迭代法原理86-88
• 3.3.3 分析步驟88-89
• 3.4 算例驗(yàn)證89-93
• 3.4.1 理論分析算例89-90
• 3.4.2 數(shù)值分析算例90-92
• 3.4.3 算例比較92-93
• 3.5 本章小結(jié)93-94
• 4 薄膜反射面型面優(yōu)化分析94-117
• 4.1 引言94-95
• 4.2 移動(dòng)漸近線算法95-100
• 4.2.1 基本原理95-96
• 4.2.2 等效約束方程96-98
• 4.2.3 子問(wèn)題求解98-100
• 4.3 反射面厚度優(yōu)化100-108
• 4.3.1 優(yōu)化模型100-102
• 4.3.2 敏感度分析102-105
• 4.3.3 過(guò)濾分析105-107
• 4.3.4 優(yōu)化流程107-108
• 4.4 算例分析108-116
• 4.4.1 不考慮過(guò)濾分析的算例109-113
• 4.4.2 考慮過(guò)濾分析的算例113-115
• 4.4.3 優(yōu)化參數(shù)分析115-116
• 4.5 本章小結(jié)116-117
• 5 薄膜反射面的管理與展開(kāi)117-150
• 5.1 引言117-118
• 5.2 有限質(zhì)點(diǎn)法118-130
• 5.2.1 基本原理118-119
• 5.2.2 求解方程119-120
• 5.2.3 三角形薄膜單元120-123
• 5.2.4 褶皺與碰撞處理123-127
• 5.2.5 計(jì)算流程127-128
• 5.2.6 充氣展開(kāi)算例128-130
• 5.3 廣義逆矩陣形態(tài)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 薄膜可展開(kāi)結(jié)構(gòu)的約束134-138
• 5.3.4 薄膜單元等效質(zhì)量138-139
• 5.3.5 數(shù)值誤差主動(dòng)校正139-140
• 5.3.6 分析流程140-141
• 5.3.7 折疊展開(kāi)算例141-143
• 5.3.8 考慮彈性變形分析的討論143-146
• 5.4 反射面收納管理146-149
• 5.4.1 錐形三浦折紙147-148
• 5.4.2 反射面管理應(yīng)用148-149
• 5.5 本章小結(jié)149-150
• 6 充氣球形天線試驗(yàn)與加工150-174
• 6.1 引言150-151
• 6.2 材料性能試驗(yàn)151-160
• 6.2.1 反射面材料單軸試驗(yàn)151-154
• 6.2.2 反射面材料雙軸試驗(yàn)154-157
• 6.2.3 球面材料單軸試驗(yàn)157-158
• 6.2.4 膠水粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)158-159
• 6.2.5 試驗(yàn)總結(jié)159-160
• 6.3 裁片生成分析160-165
• 6.3.1 測(cè)地線裁剪160-163
• 6.3.2 曲面展開(kāi)分析163-165
• 6.4 加工工藝研究165-171
• 6.4.1 工藝流程166-171
• 6.4.2 關(guān)鍵技術(shù)171
• 6.5 天線性能測(cè)試171-173
• 6.6 本章小結(jié)173-174
• 7 充氣球形天線的參數(shù)分析174-195
• 7.1 引言174
• 7.2 初始模型參數(shù)174-182
• 7.2.1 初始有限元模型174-176
• 7.2.2 各工況與計(jì)算結(jié)果176-180
• 7.2.3 分析與結(jié)論180-182
• 7.3 球形天線拉索布置182-191
• 7.3.1 部件與組裝182-183
• 7.3.2 拉索布置模型與工況183-185
• 7.3.3 靜力計(jì)算結(jié)果與分析185-189
• 7.3.4 振型計(jì)算結(jié)果與分析189-191
• 7.4 溫度載荷分析191-194
• 7.4.1 模型參數(shù)191-192
• 7.4.2 計(jì)算結(jié)果192-193
• 7.4.3 結(jié)果分析193-194
• 7.5 本章小結(jié)194-195
• 8 結(jié)論與展望195-199
• 8.1 本文主要結(jié)論195-197
• 8.2 展望197-199
• 參考文獻(xiàn)199-214
• 作者簡(jiǎn)歷214-215

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