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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(二)

2017/8/4    来源:互联网    作者:张超  刘飞  董龙雷  王朝晖      
关键字: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。

    利用MATLAB软件对所测数据进行处理即可得到阻尼比C与固有频率f,并与仿真结果对比如表4所示。

    由上文得到,仿真结果的一阶固有频率为:fpO.32693Hz。表4通过与此对比可以发现桁架结构的一阶模态固有频率的仿真结果与试验测得数据计算出的结果相差5.4%,说明所建立的ANSYS仿真模型是较准确的。另外一方面,桁架结构一阶模态固有频率试验结果略高于仿真结果,其原因是试验中桁架结构受到重力作用,且结构采用拉索进行悬吊,略微增加了桁架结构的刚度。

    表4 试验天线结构一阶模态阻尼比与固有频率

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    3 结构参数对術架结构固有频率的影响

    探究桁架结构的结构参数对固有频率的影响对桁架结构的设计和优化具有指导意义,凡是能够改变原有结构刚度的参数,其值的大小和摄动均会对固有频率产生影响。

    3.1 连接件配重对固有频率的影响

    考察不同配重对桁架结构前三阶模态的影响。保持桁架其他参数恒定,仅将连接件配重从0kg逐渐变化到0.7kg,观察试验桁架结构前三阶模态固有频率的变化情况,如图6所示。可见前三阶模态固有频率随着连接件配重的增加而不断减小,且近似成线性关系,同时结构响应的模态振型不变。因此在实际空间桁架结构中应该采用轻质高强度的连接结构。

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    图6 前三阶模态固有频率随连接件配重的变化情况

    3.2 斜支撑杆对固有频率的影响

    斜支撑杆是桁架与卫星体的连接结构,其粗细和长短均会影响桁架整体刚度,进而影响到结构的固有频率,支撑杆的粗细取决于内外径大小,长度取决于杆件之间的夹角大小。

    图7给出了当斜支撑杆内径为0.004m且恒值不变时,桁架结构前三阶模态固有频率与斜支撑杆外径大小的关系。可看出在内径不变的情况下,在斜支撑杆外径从0.0lm变化到0.018m的过程中,一阶模态固有频率和二阶模态固有频率都随斜支撑杆外径增大而增大,即斜支撑杆刚性增大,桁架结构柔性减小,且基本为线性关系。但第三阶模态固有频率先减小后增大,呈下凹的抛物线型关系。

    为进一步分析第三阶模态固有频率的这种变化规律,图8给出了当斜支撑杆壁厚为0.001m且恒值不变时,前三阶模态固有频率随斜支撑杆外径的变化规律。可看出,斜支撑杆壁厚不变的前提下,在斜支撑杆外径从0.0lm变化到0.018m的过程中,前三阶固有频率都随斜支撑杆外径的增大而增大,即斜支撑杆壁厚不变,外径增大时,桁架结构刚性增加,且呈现较好的线性关系。

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    上述分析可以认为在桁架结构设计阶段,条件允许的情况下应尽量增加斜支撑杆外径,从而提高桁架结构的刚性,减少低频模态,提高其抗干扰能力。

    两个斜支撑杆间的夹角决定了斜支撑杆长度,其关系如图9所示。可看出在斜支撑杆夹角由120°变化到150°的过程中,桁架结构前三阶模态固有频率随夹角增大而增大,且呈现较好的线性关系,符合斜支撑杆越短,桁架结构刚度越大的规律。因此实际空间桁架结构中斜支撑杆间夹角应该设计的较大。

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    图9 前三阶模态固有频率与斜支撑杆夹角的关系

    3.3 拓扑结构、材料弹性模量及桁架结构半径对固有频率的影响

    为了保证空间桁架结构具有收拢和展开的特性,便于随运载火箭进行发射,桁架结构一般采用带有对角杆的长方形结构单元。由这样的结构单元相连而组成周边桁架结构,这就造成了在实际设计中桁架结构存在两种拓扑构型,如图10所示。

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    图10 桁架结构两种拓扑结构

    两种结构的前三阶模态固有频率对比如表5所示。

    表5 两种拓扑结构前三阶模态固有频率对比

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责任编辑:张纯子
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