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卫星周边桁架式天线的动力学分析与结构参数设计(一)

2017/8/3    来源:互联网    作者:张超  刘飞  董龙雷  王朝晖      
关键字:有限元  桁架结构  模态分析  参数设计  
本文针对卫星周边桁架式天线结构建立其有限元模型,并通过模态试验进行了模型验证,明确了结构设计改善的方向;并完成了冲击激励下的扰动响应分析,表明结构的一阶模态是结构振动抑制的主要目标。

    0 引言

    空间可展开桁架结构能为太阳能电池阵列、合成孔径雷达、大型星载天线等卫星部件提供支撑,具有质量轻、阻尼小、柔性大、间隙多的特点。在太空零重力、交变热载荷的环境下,受到来自于航天器调姿、空间碎片冲击等激励的影响,桁架结构易出现大幅度、低频率、长时间的振动,又由于其自身的低阻尼特性,激起的振动难以自行衰减,从而会导致桁架结构本身的故障和失效,以及所承载的功能部件的工作精度降低甚至任务失败。由于桁架结构固有频率低,采用被动阻尼减振的方法难以有效发挥作用,而振动主动控制是最为有效的途径。振动主动控制设计必须以桁架结构的动力学特性分析为基础。

    桁架结构的动力学特性分析主要包括模态分析和瞬态响应分析,确定结构的摸态分布及响应贡献量大小。本文在模态试验数值模型验证的基础上,重点针对桁架结构参数进行研究,确定其对结构固有频率的影响,并提出改善结构模态分布的方法,最后通过冲击响应分析确定结构的控制方向,为振动主动控制设计提供基础。

    1 卫星周边桁架式天线结构

    按照前三阶振型相同、支撑方式相同的等效原则对某型号卫星天线设计了缩比结构。

    1

    图1 桁架结构

    2

    图2 桁架结构局部细节

    该桁架结构模拟在轨展开锁定状态,各个桁架构件间的连接铰链已经锁死,故将试验桁架结构设计成固定连接方式。为了消除重力的影响,将环形桁架结构通过弹性绳拉向中心并进行悬挂。桁架结构具体参数如表l所示。整个桁架结构由具有相同截面的空心钢杆组成。内半径ri=0.004m,外半径0.005m,伸展臂横截面为相同形状的圆环形,材料参数如表2。

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    2 桁架结构有限元建模与模态分析

    2.1 桁架结构有限元建模

    对上述桁架结构进行ANSYS有限元建模,采用空间梁单元和杆单元,杆件连接处等效为集中质量单元,模型如图3所示。

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责任编辑:张纯子
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