采用变论域有限元法的大型可展开天线展开过程动力学研究

Space deployable structures, with deployable antennas as the perfect examples, are main payloads of spacecrafts and they should be deployable, light-mass structures, which are launched in retracted state and deployed in orbit. The primary requirement for normal operation of these structures is their reliable and smooth deployment. Therefore, several key problems involving in the deployment dynamics analysis of large deployable antennas will be addressed in this proposal..The combination of absolute nodal coordinate formulation and arbitrary Lagrangian-Eulerian method is proposed to deal with the problem of variable domain and large deformation during the deployment. A system-level modal synthesis method is developed for model reduction of the deployment dynamics, which is archieved on the system level by using time-variant modal set. Based on the reduction model, an integrated structural and control design for deployment is carried out to obtain the best deployment performance where the coupling with the spacecraft's attitude is considered. Finally, a gravity compensate mechanism with cable-driven system is devised for deployment experiments in order to validate the ideas proposed..These key problems should be addressed for an accurate deployment analysis of large deployable antennas and the investigation on these problems will further advance the development of the aerospace science and technology of our country.

以可展开天线为代表的空间可展开结构是航天器的重要有效载荷，此类天线必须为轻质可展开结构，收拢发射，在轨展开。这些结构工作的前提条件是能够平稳、顺利地展开。对展开过程进行理论分析是准确模拟结构实际展开动态特性的重要手段，为此，本申请针对大型可展开天线展开过程动力学中的若干关键问题进行研究。.本申请提出将绝对节点坐标法与任意拉格朗日－欧拉法相结合来解决展开过程中变论域、大变形问题的描述；提出采用整体模态综合法，引入时变模态集从系统整体的角度出发进行动力学模型的简约；基于简约模型并结合与航天器的姿态耦合，针对展开过程进行结构与控制的集成设计，以得到最佳展开性能；最后提出了一种绳牵引主动运动重力卸载装置，用于进行展开过程实验，验证所提方法的有效性。.这些关键问题是对大型可展开天线进行准确的展开过程动力学分析时首先要解决的问题，对其进行研究，能够进一步促进我国航天科技的发展。

大型可展开天线是航天器的重要有效载荷，必须收拢发射，在轨展开。天线展开过程的“成功与失败”常常标志着整个任务的“成功与失败”。可展开天线的展开是一个复杂的动态过程，是从不稳定状态到稳定状态，从机构到结构的转化，是最容易出现故障的环节之一。然而，由于重力无法完全抵消和空气阻力的存在，展开过程地面实验也难以精确模拟出天线在轨展开时的实际动力学特性。故对展开过程的动力学理论分析是准确模拟结构实际展开动态特性的重要手段。.针对典型的可展开天线结构形式，本项目将绝对节点坐标法与任意拉格朗日－欧拉法相结合，推导了用于驱动天线展开的、长度不断变化的驱动索的动力学模型。模型引入了绳索在滑轮间的长度传输自由度，可以有效描述驱动索的长度变化以及绳索沿长度方向的振动特性。其次，在建立索网动力学模型时，提出了一种天线展开过程中索网结构由松弛到逐渐张紧的变化过程的描述方法。在此基础上，建立了天线整体结构的展开过程动力学模型，研究了天线展开过程中的非线性动态特性。.从构件间铰链约束关系处理、柔性变形的整体模态描述和静动态分析相结合三方面入手，完成了展开过程动力学模型的简化，能在明显降低求解规模的情况下准确描述结构的主要动态特性。提出了一种展开天线的结构与控制集成优化模型，以实现对天线展开性能的全面优化。.结合理论研究，先后研制了伞状天线、方形桁架天线和环形桁架天线三部原理样机，进行了展开过程动力学实验，检验了所提动力学分析方法的合理性。本项目执行年限内，在国内外期刊及会议上发表学术论文16篇，其中SCI收录13篇次，EI收录3篇次；申请国家发明专利12件。