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空间可展桁架结构的设计与热分析

作　者: 张淑杰
导　师: 关富玲
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 空间可展桁架结构四面体单元扭簧热传导热辐射热流地球阴影自身阴影阴影系数泛函极值法杆单元膜单元温度场热一结构分析热变形热应力热振动
分类号: TU323.4
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

空间可展结构是近三十年来伴随宇航科技的发展而诞生的一种新型可折叠结构，在地面发射时为折叠状态，入轨后展开并锁定成工作状态。可折叠展开结构的诞生拓宽了大型空间结构的应用领域，空间可展结构出现了前所未有的发展。对于空间飞行器结构来讲，一般要求其形状稳定，不管周围环境的温度变化有多大，结构形状的变化要尽可能地小，对于大型可展桁架结构这样的柔性结构来讲，其敏感性和热稳定性要求更高。一方面，可展大线沿着轨道飞行时，要周期性地进出地球阴影区，再加上天线自身结构（如反射网面、杆件等）的阴影遮挡影响，往往要经历较大幅度的高低温变化，并且在结构中存在着较大的温度梯度，这样急剧的高低温变化和非均匀的温度分布则会引起结构中的热膨胀和热应力，使天线结构产生热变形；另一方面，热变形引起的反射面形状的变化会对天线的电性能产生很大的影响；热荷载的突然变化还会引起结构的振动而影响天线在轨道飞行中的姿态控制。因此，对变形敏感的天线，一个重要的设计就是要把结构的变形控制在一个很小的范围之内，为保证其较高的热稳定性，进行空间环境下的热变形分析是就显得十分重要了。设计了一口径为5米的切割抛物面网状可展天线模型，该模型是由支承背架（可展桁架）和反射面（柔性网面）构成的，本文以此展开模型为研究对象，对其进行温度场分析、热变形分析、热应力分析、以及热振动分析等。在天线的可展支承背架设计中，四面体单元的展开特性是整个展开桁架结构设计的关键技术，通过研究单元的展开收拢过程以及节点的工作机理，说明该模型的设计是可行的。空间环境中，无论展开天线位于何种轨道上，无论是自旋卫星还是非自旋卫星，在工作状态时其本身都与太阳成一定的角度。因此，天线与太阳入射光线之间的角度关系，决定了天线的温度场分布及热变形工况。故本文在设计分析过程中，不考虑卫星的运行轨道，仅以天线与太阳入射光线之间的角度关系来决定工况，模拟出天线在整个轨道过程中的任意位置。对天线各部件与热流的方向关系进行了讨论，在已知太阳光线与水平面夹角情况下，详细推导了各种形式的杆单空间可展析架结构的设计与热分析浙江大学博士学位论文 200．5元和各种形式的膜单元与太阳光线夹角，编制了相应的热流计算软件，据此可方便地计算出入射到这些单元上的太阳热流。。任意轨道上的天线结构都会穿过地球的阴影并受自身阴影的影响。本文根据地球同步轨道（GEO）和低轨道（LEO）的周期和高度，以及天线结构穿过地球全阴影和半阴影的时间，来确定地球阴影的影响；并对可展天线的自身阴影进行判断，区分出水平遮挡构件和非水平遮挡构件，提出了一种计算杆件阴影遮挡系数uHAD）的方法。推导出一维两结点杆单元和二维六结点三角形膜单元瞬态辐射一导热微分方程，由微分方程及边界条件推出每个单元相应的泛函公式，根据泛函求极值的方法建立求解域内的n阶代数方程组，求出整个天线结构的温度场。编制了相应的温度场计算程序，计算结果表明在整个周期中，天线的温度场范围是合理的。温度发生明显变化的时刻发生在太阳照射极不均匀的时刻如阴影区时刻X故对决定元器件工作温度范围，应以此时刻进行考察。当不能完全保证元器中的正常工作温度时，需采用被动热控和主动热控咖电炉）相结合，以保证天线正常工作。对展开天线结构进行热一结构分析，推导出两结点杆单元和六结点三角形膜单元在平均温差作用下的等效结点温度荷载的矩阵形式。将宏单元（由杆件和扭簧组成的单元）和膜单元的刚度矩阵集成整个结构的刚度矩阵，并由结构的平衡方程求出整个结构的热变形和热应力。计算结果表明无论是热变形还是热应力，二者都在所要求的范围之内，对整个结构的形状和强度都影响不大。由于轨道上白天和夜晚的交替引起热量的突然变化，使柔性结构产生热振动。本文对可展天线结构在轨道上“白天一黑夜”交替时的热振动现象进行了研究，分析了天线结构由太阳照射边界到地球阴影区、以及由地球阴影边界到太阳照射区时的热振动响应。结果表明无论天线结构是由太阳照射边界进入到阴影区还是由阴影边界进入到太阳照射区，Y方向均不产生热振动现象，X、Z方向的速度和加速度都很小，X方向产生的位移偏大。所以为满足天线反射面的较高精度要求，需采取一定的减振措施或热控措施。

全文目录

第一章绪论  10-21
  1-1 引言  10-12
  1-2 国外空间可展结构的研究现状  12
  1-3 空间可展结构的热分析意义  12-15
  1-4 国内外对热分析的研究和发展状况  15-17
  1-5 本文的主要工作  17-21
第二章空间可展桁架结构的设计  21-25
  2-1 结构设计构思  21-22
  2-2 结构的展开机理  22-23
  2-3 能量节点的设计  23-24
  2-4 本章小结  24-25
第三章空间可展结构的热荷载分析  25-49
  3-1 可展天线的工作环境  25-28
  3-2 展开无线的热传递方式  28-30
  3-3 展开天线的传热影响因素  30-31
  3-4 展开天线的热平衡关系  31-32
  3-5 展开天线的热荷载分析  32-35
  3-6 展开天线各部件与热流的方向关系  35-46
  3-7 本章小结  46-49
第四章空间可展结构的阴影分析  49-60
  4-1 地球阴影分析  49-52
  4-2 天线结构自身阴影分析  52-57
  4-3 阴影影响的算例分析  57-58
  4-4 本章小结  58-60
第五章空间可展结构的温度场分析  60-98
  5-1 天线结构的温度场分析方法  60
  5-2 导热微分方程及边界条件  60-61
  5-3 一维瞬态辐射—导热问题  61-68
  5-4 二维瞬态辐射—导热问题  68-89
  5-5 整个求解域上的合成  89-90
  5-6 热控涂层的选用  90-91
  5-7 温度场计算程序框图  91-93
  5-8 天线结构的温度场计算结果  93-96
  5-9 本章小结  96-98
第六章空间可展结构的热—弹性分析  98-113
  6-1 热—弹性理论基本方程  98
  6-2 可展天线的热—弹性分析  98-108
  6-3 无线结构的热—弹性分析结果  108-110
  6-4 本章小结  110-113
第七章空间可展结构的热振动分析  113-130
  7-1 动力问题的有限元列式  114-116
  7-2 天线结构的质量矩阵分析  116-119
  7-3 天线结构的自由振动分析  119-121
  7-4 天线结构的热振动响应分析  121-128
  7-5 本章小结  128-130
第八章结论与展望  130-132
  8-1 本文主要结论  130-131
  8-2 进一步的工作  131-132
致谢  132

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