本文關鍵詞：大型空間索網(wǎng)—框架組合結(jié)構(gòu)形面精度保持設計方法

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【摘要】：索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)是國內(nèi)外目前正在研制和規(guī)劃的、實現(xiàn)航天器任務目標的一大類關鍵結(jié)構(gòu),其柔性索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在內(nèi)部張力和支撐框架的共同作用下形成滿足精度要求的形狀。空間索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)存在大柔性、非線性以及多學科耦合等問題,加之工作于熱場、力場、電場等多場耦合和大動載等極端惡劣工況,導致結(jié)構(gòu)性能保障設計面臨前所未有的挑戰(zhàn)。此外,為了滿足空間攻防、在軌建設以及軌道機動的迫切需求,空間索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)朝著大尺度、高精度、高頻段方向發(fā)展,其大型化發(fā)展需求與展開鎖定后功能形面精度之間是矛盾的。為此,論文從拓撲構(gòu)型的靜力確定性與形面主動控制的環(huán)境適應性兩方面,系統(tǒng)研究了索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)拓撲構(gòu)型綜合、非線性動力學分析以及空間工作環(huán)境下形面主動控制的相關理論和關鍵技術(shù)。主要研究內(nèi)容與成果總結(jié)如下:為了保證網(wǎng)狀形面在外荷載作用下的長期尺度穩(wěn)定性,研究了索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)拓撲構(gòu)型綜合方法。闡述了廣義Maxwell準則以及四種結(jié)構(gòu)體系的劃分原則與數(shù)學內(nèi)涵�；趶V義Maxwell準則,提出了AstroMesh天線與傘狀天線的靜力與運動確定性網(wǎng)面拓撲構(gòu)型生成方法。綜合出了14種新型AstroMesh天線以及3種新型傘狀天線的靜力與運動確定性網(wǎng)面拓撲構(gòu)型。為了解決高的靜態(tài)形面精度保持問題,研究了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)形面主動調(diào)整方法。從系統(tǒng)集成設計思路出發(fā),將壓電陶瓷作動器與柔性索相集成,形成柔性主動索網(wǎng)結(jié)構(gòu)�；谟邢拊�,建立了柔性主動索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的集成建模方法,提出了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)形面主動調(diào)整模型:無約束的解析解和約束的二次優(yōu)化策略與極小極大策略。仿真結(jié)果表明通過施加合理的作動電壓,主動索能夠極大提高索網(wǎng)結(jié)構(gòu)形面精度。此外,二次優(yōu)化策略的調(diào)整效果與計算效率均優(yōu)于極小極大策略。為了探究索網(wǎng)結(jié)構(gòu)非線性振動特性對形面精度影響,研究了空間索網(wǎng)結(jié)構(gòu)非線性動力學建模與內(nèi)共振分析�？紤]預張力與幾何非線性的影響,建立了空間索網(wǎng)結(jié)構(gòu)包含平方和立方位移非線性的動力學方程。推導了單自由度共振下索網(wǎng)結(jié)構(gòu)許用動態(tài)負載表達式,包括三種共振情況:弱激勵主共振、強激勵超諧波共振、強激勵次諧波共振。研究了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)兩自由度1:1內(nèi)共振的穩(wěn)態(tài)位移二階漸進解以及解的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幾何非線性對其動力學響應有較大影響,且響應依賴于初始條件、頻響曲線彎曲程度與跳躍現(xiàn)象。為了揭示空間工作環(huán)境下索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)的非線性振動特性,研究了索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)的熱-彈耦合動力學建模與參數(shù)共振分析。通過將結(jié)構(gòu)應變考慮為熱應變和彈性應變的線性疊加,建立索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)熱-彈耦合動力學方程。利用多尺度擾動技術(shù),同時考慮外激勵主共振、1:2內(nèi)共振以及1:2熱參數(shù)共振,推導了結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)共振位移的一階漸進解以及節(jié)點與單元的非線性功率流解析表達式。仿真結(jié)果表明與立方非線性相比,平方非線性對索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)的熱致非線性振動影響更大,且驗證了索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)非線性響應存在飽和、分岔等現(xiàn)象。為了解決高的動態(tài)形面精度控制問題,研究了空間索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主動控制策略。基于索結(jié)構(gòu)波動方程,推導了表征索力與位移傳遞關系的波導方程,借助行波分析方法,通過力平衡條件和位移協(xié)調(diào)條件,建立了柔性索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的行波動力學模型。其次,根據(jù)波吸收原理,以被控制點的凈功率流加權(quán)和最小為目標,建立了波動主動控制優(yōu)化模型。利用波動控制力和模態(tài)阻尼、固有頻率間的映射關系,以擾動到評價輸出閉環(huán)傳遞函數(shù)的二范數(shù)最小為目標,建立了波動/模態(tài)復合主動控制優(yōu)化模型。研究結(jié)果表明行波法比傳統(tǒng)有限元法形式更簡單、計算精度與效率更高。復合主動控制能有效解決傳統(tǒng)模態(tài)控制的高頻溢出和模態(tài)截斷問題,且能給出更寬頻帶的魯棒控制。
【關鍵詞】：索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu) 形面精度 拓撲綜合 主動調(diào)整 非線性共振 行波動力學 波動/模態(tài)復合控制
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V423
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 符號對照表14-16
• 縮略語對照表16-20
• 第一章 緒論20-28
• 1.1 研究背景及意義20
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析20-24
• 1.2.1 索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)靜力學研究現(xiàn)狀22-23
• 1.2.2 索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)動力學研究現(xiàn)狀23-24
• 1.3 當前研究存在的問題24-25
• 1.4 研究內(nèi)容與關鍵問題25
• 1.5 論文組織與結(jié)構(gòu)安排25-28
• 第二章 索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)拓撲構(gòu)型綜合28-44
• 2.1 引言28
• 2.2 廣義Maxwell準則28-30
• 2.3 網(wǎng)狀反射面結(jié)構(gòu)分段數(shù)30-33
• 2.4 AstroMesh天線拓撲構(gòu)型研究33-39
• 2.4.1 天線結(jié)構(gòu)靜力與運動特性33-34
• 2.4.2 網(wǎng)面拓撲構(gòu)型綜合方法34-35
• 2.4.3 靜力與運動確定性網(wǎng)面構(gòu)型35-39
• 2.5 傘狀天線拓撲構(gòu)型研究39-42
• 2.6 本章小結(jié)42-44
• 第三章 空間索網(wǎng)結(jié)構(gòu)形面主動調(diào)整44-58
• 3.1 引言44
• 3.2 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)有限元建模44-49
• 3.2.1 被動索結(jié)構(gòu)建模45-46
• 3.2.2 壓電陶瓷作動器建模46-48
• 3.2.3 主動索結(jié)構(gòu)集成建模48-49
• 3.3 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)形面主動調(diào)整49-52
• 3.3.1 形面主動調(diào)整目標49-51
• 3.3.2 形面主動調(diào)整建模與求解51-52
• 3.4 索網(wǎng)反射面主動調(diào)整案例52-57
• 3.5 本章小結(jié)57-58
• 第四章 空間索網(wǎng)結(jié)構(gòu)非線性動力學分析58-80
• 4.1 引言58-59
• 4.2 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)非線性動力學建模59-65
• 4.2.1 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)耦合動力學建模59-62
• 4.2.2 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)動力學方程解耦62
• 4.2.3 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)動力學模型驗證62-65
• 4.3 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)單自由度非線性分析65-71
• 4.3.1 單自由度弱激勵主共振65-66
• 4.3.2 單自由度強激勵超諧波共振66-67
• 4.3.3 單自由度強激勵次諧波共振67-68
• 4.3.4 索網(wǎng)反射面單自由度共振案例68-71
• 4.4 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)多自由度內(nèi)共振分析71-78
• 4.4.1 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)共振二階漸進解72-75
• 4.4.2 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)共振響應與穩(wěn)定性分析75-78
• 4.5 本章小結(jié)78-80
• 第五章 索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)熱參數(shù)共振80-96
• 5.1 引言80-81
• 5.2 索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)熱-彈耦合動力學建模81-86
• 5.2.1 索結(jié)構(gòu)熱-彈耦合動力學建模82
• 5.2.2 梁結(jié)構(gòu)熱-彈耦合動力學建模82-83
• 5.2.3 組合結(jié)構(gòu)熱-彈耦合動力學方程83-84
• 5.2.4 熱-彈耦合動力學模型驗證84-86
• 5.3 索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)多尺度擾動分析86-92
• 5.3.1 索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)共振一階漸近解86-89
• 5.3.2 索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)共振響應與穩(wěn)定性分析89-92
• 5.4 索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)非線性功率流92-95
• 5.4.1 組合結(jié)構(gòu)節(jié)點與單元功率流92-93
• 5.4.2 平面索網(wǎng)-框架組合結(jié)構(gòu)案例93-95
• 5.5 本章小結(jié)95-96
• 第六章 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)波動動力學與主動控制96-116
• 6.1 引言96-98
• 6.2 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)行波動力學建模98-107
• 6.2.1 索結(jié)構(gòu)波導方程98-100
• 6.2.2 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)行波模型100-103
• 6.2.3 行波動力學模型驗證103-107
• 6.3 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)波動/模態(tài)復合控制107-110
• 6.3.1 波動主動控制建模107-108
• 6.3.2 波動/模態(tài)復合控制建模108-110
• 6.4 復合主動控制案例110-115
• 6.5 本章小結(jié)115-116
• 第七章 總結(jié)與展望116-120
• 7.1 研究總結(jié)116-117
• 7.2 研究展望117-120
• 參考文獻120-128
• 致謝128-130
• 作者簡介130-132

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