大型可展开天线环形桁架动力学实验研究

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随着空间科学技术的不断进步与发展,人类对太空的探索不断深入,卫星天线得到了广泛的应用。随着空间天线需求量的日益增加,对其各项性能指标的要求也不断提高,可展开天线由于其可收缩的性能受到了广泛的关注,在天线运载过程中,受到运载工具空间的限制,将卫星天线收拢后放在整流罩中,待卫星进入空间轨道后,再展开至工作状态;在众多空间天线的结构形式中,空间环形桁架可展开天线作为一种新型结构形式,具有大口径、轻质量、高收纳率等优点,使其在研究中受到了广泛的关注。  由于天线在其工作的过程中,会受到太阳风、宇宙碎片以及发动机等因素带来的冲击,引起结构的振动,影响结构的刚度及稳定性,为确保天线能够达到预期的精度和使用寿命,需要对环形桁架天线的力学性能进行相应的理论和实验研究,确定结构的固有频率及振动特性,从而在设计的过程中,在满足其他要求的情况下提高结构的刚度与基频。由于可展开天线的工作环境是微重力环境,与地面装配及研究过程环境不同,因此为提高研究的准确性,减少重力对研究结果的影响,在对可展开天线研究过程中应尽量减少重力的作用。  本文主要通过有限元和实验两种方法对可展开天线环形桁架实验模型进行模态分析,测试其固有频率及对应模态振型,并通过外加激励对环形桁架结构激振,测试其振动响应,通过实验模态分析验证有限元建模的准确性与分析的可靠性,通过振动实验研究与模态实验研究相结合,更加准确的确定结构的固有频率,研究其动力学响应,为可展开天线的研究提供参考。  论文主要内容包括以下几个部分:  (1)本文在深入理解环形桁架天线结构的基础上,设计并加工了口径为1.8米的可展开天线环形桁架实验模型。首先通过有限元方法分析了不同杆件壁厚、外径等参数对结构基频的影响程度,确定合适的结构参数;利用Pro/E软件对结构各零部件进行三维建模,并在此基础上对结构进行整体装配,验证了结构设计的合理性;最后完成了模型的加工制造,并设计制造相应的重力卸载装置,为后续的实验提供条件。  (2)在上述环形桁架天线结构基础上,通过有限元方法对桁架整体结构以及单胞、双胞、三胞等胞元结构进行了自由边界条件下的模态分析,获得环形桁架结构的前三阶固有频率及对应模态振型,分析了环形桁架结构的模态特性。  (3)采用锤击法对环形桁架整体结构以及其单胞、双胞、三胞等胞元结构进行了实验模态分析。结构采用机械悬吊的方式进行卸载,实验测得结构的前三阶固有频率及对应模态振型,并与有限元分析结果进行了对比,验证了有限元所建模型的正确性,以及实验结果的准确性。对环形桁架结构进行振动分析,分析其各关节点在不同频率激励下的位移情况,分析其位移响应,确定结构的固有频率,并与模态实验所得结果进行对比,验证所提取固有频率的准确性。
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