环形网状天线保形控性设计方法研究

Large aperture size, high surface accuracy , good accuracy & structural stability are the future trends of the ring truss mesh antennas. These large structures work in complex space environments and do not have the ability of automatic adjustment. Therefore, their surface accuracy and structural stability on orbit should be fully considered in the design and manufacturing stages. Counting the various disturbances and parameter variations in space service environments, the key tasks of this proposal are to investigate the long term surface accuracy and the structural stability including the stiffness, frequency, strength, etc. The main research contents are listed as follows: comprehensive form finding methodology of ring truss and flexible cable nets; fluctuation of surface accuracy & structural performance caused by periodical temperature changes; fluctuation of surface accuracy & structural performance caused by variations of material properties and individual component failures; self-compensation and structural robust design. The above researches aim at the development of analytical and modeling methodology for cable-beam coupling structures, as well as the surface & structure robust design theory for space antennas. In terms of application, the outcomes of this research proposal can provide guideline and technical support for the guarantee of full life cycle surface accuracy & structural performance stability.

环形网状天线的发展趋势是结构尺寸大、形面精度高，良好的精度保持性与结构稳定性，针对这类服务于特定空间环境且不具主动在轨调整功能的大型结构，在设计与制造阶段就应充分考虑其长期服役期间的形面精度和结构性能。空间服役环境的各类扰动和参数变异情况下的长期服役形面精度保持性和刚度/模态/强度等稳定性研究(保形与控性)是本项目旨在解决的关键问题。拟开展主要研究内容为：环形桁架-柔性索网的综合找形方法研究；周期性温度变化导致的“形-性”波动研究；材料属性的变异及其对结构的“形-性”影响研究；局部构件失效后“非完整”结构的“形-性”保持性研究；扰动作用下的“形-性”自补偿与结构稳健设计研究。以期在理论研究方面丰富和发展索-梁组合结构分析与建模方法，形成面向航天结构保形控性的稳健设计方法；在应用方面为全生命周期内环形网状天线反射面精度保持性与结构稳定性提供研究手段与技术保障。

在空间服役环境中的各类扰动和参数变异情况下，环形网状天线的形面精度和结构性能会受到严重影响，且目前无法进行有效在轨调整。因此，在设计阶段就应充分考虑环形网状天线服役期间形面精度的保持性和结构性能的稳定性。本项目围绕环形网状天线的保形控性问题开展了以下主要研究：（1）环形桁架-柔性索网的综合找形方法研究；（2）温度变化导致的“形-性”波动研究；（3）长期服役过程中材料属性的变异及其对结构的“形-性”影响研究；（4）局部构件失效后“非完整”结构的“形-性”保持性研究；（5）“形-性”自补偿与结构稳健设计理论和方法研究。.提出一种环形网状天线高精度找形方法，该方法计及了环形桁架与柔性索网之间耦合变形的影响，可在保证节点误差为零的情况下，获得均匀分布的张力；建立了天线的热-结构耦合分析模型，对天线的在轨温度场以及由温度变化引起的“形-性”波动情况进行了分析，基于此对环形网状天线进行优化设计，从而使最差工况下的节点误差降低约40%，张力均匀性提高约34%；提出一种可考虑环形桁架-柔性索网耦合变形的环形网状天线蠕变特性分析方法，分析了索段长期蠕变行为对天线“形-性”的影响，结果表明，在服役初期，节点误差显著增大，张力明显下降，随后两者变化放缓，最终趋于稳定；基于灵敏度分析，提出一种构件重要性预判方法，基于向量式有限元法对构件失效后“非完整”结构的响应进行分析，结果表明，横杆失效对“形-性”影响最大，其次是纵向张力索阵和前后索网面索段；提出一种考虑环形网状天线长期蠕变行为的全生命周期保形方法，该方法不仅可降低全生命周期内的节点误差，还可减小其波动，提高天线形面精度的保持性。.以上研究在理论方面丰富和发展了索-梁耦合结构分析与建模方法，形成面向航天结构的保形控性设计方法；在应用方面为全生命周期内环形网状天线反射面精度保持性与结构稳定性提供了研究手段与技术保障。