空間展開桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與熱控制研究.pdf

1、空間結(jié)構(gòu)越來(lái)越向大型化發(fā)展,故展開結(jié)構(gòu)具有廣泛的優(yōu)勢(shì).對(duì)于展開結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱控制研究是兩個(gè)基本內(nèi)容.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要進(jìn)行展開性能分析和實(shí)體模型設(shè)計(jì),熱控制研究是為了研究展開結(jié)構(gòu)在軌中的熱特性,以進(jìn)行被動(dòng)熱設(shè)計(jì)和熱控制.本文在大量學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用階段設(shè)計(jì)理論,對(duì)熱控制研究從熱傳導(dǎo)方程和熱彈性力學(xué)方程入手,利用熱靜力學(xué)和非耦合動(dòng)力學(xué)理論,以桁架拋物面展開天線結(jié)構(gòu)為基本模型,采用熱有限元法,對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)以及熱致

2、振動(dòng)進(jìn)行分析.主要研究成果如下: 為保證展開過(guò)程的有效性,在引入展開結(jié)構(gòu)三階段設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上,提出了各階段需要完成的目標(biāo)參數(shù)和分析模型以及相應(yīng)的理論進(jìn)行驗(yàn)證.(1)概念設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是從概念上選擇合適的展開折疊模式,完成的目標(biāo)參數(shù)主要是可展性和可折疊性,研究模型為拓?fù)淠Ｐ?采用廣義逆理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)形態(tài)控制分析.(2)模型設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是確定桿件和結(jié)點(diǎn)的具體尺寸,實(shí)現(xiàn)展開方案的實(shí)物模型化,完成的主要目標(biāo)參數(shù)是桿件和結(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)

3、性,防止實(shí)際展開過(guò)程中出現(xiàn)偏位和卡死的現(xiàn)象,研究模型為實(shí)體模型,采用多體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行理論分析研究.(3)優(yōu)化階段的主要任務(wù)是對(duì)修正后的模型進(jìn)行優(yōu)化,完成的目標(biāo)參數(shù)是各種實(shí)際目標(biāo)參數(shù),采用優(yōu)化理論進(jìn)行優(yōu)化分析,實(shí)際目標(biāo)參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束函數(shù).結(jié)合設(shè)計(jì)方法,對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦機(jī)構(gòu)、伸展臂和桁架式可展拋物面天線進(jìn)行分析. 利用熱靜力學(xué)理論,采用熱有限元法,編制溫度場(chǎng)計(jì)算程序,并推導(dǎo)了背架結(jié)構(gòu)所引起的單元遮擋陰影面積.以桁架式展開天線為

4、研究對(duì)象,分析背架熱控涂層、背架材料以及熱控涂層退化的影響等對(duì)桁架式展開天線的溫度場(chǎng)和熱變形的影響,對(duì)桁架式展開天線的總體熱特性進(jìn)行研究.提出桁架式展開天線被動(dòng)熱設(shè)計(jì)基本原則:(1)由于天線各部分溫度分布極不均勻,引入極值溫度區(qū)域指標(biāo),根據(jù)各構(gòu)件的工作溫度要求,確定設(shè)計(jì)極值溫度區(qū)域,同時(shí)考慮熱控涂層退化引起極值溫度區(qū)域升高的影響,并且盡可能的選用高輻射率的熱控涂層.(2)根據(jù)熱控涂層吸收率輻射率比與極值溫度區(qū)域的對(duì)應(yīng)性,選擇基本的熱控涂

5、層.(3)背架的材料特性對(duì)反射面極值溫度影響不大,背架材料初始設(shè)計(jì)可單獨(dú)進(jìn)行,并且盡可能選擇低熱脹系數(shù)的材料. 為判斷瞬態(tài)溫度場(chǎng)有限元方程(非線性微分方程)解的準(zhǔn)確性,結(jié)合空間展開結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),引入了趨向準(zhǔn)確解的附加收斂準(zhǔn)則.利用非耦合動(dòng)力學(xué)理論,推導(dǎo)了熱致振動(dòng)中由瞬態(tài)溫度場(chǎng)引起的熱荷載形式,將瞬態(tài)溫度場(chǎng)以多點(diǎn)激勵(lì)的方式施加于空間展開結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行空間展開結(jié)構(gòu)熱致振動(dòng)特性分析.研究表明:(1)結(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角位移熱致振動(dòng)比平動(dòng)位移明顯,