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空间展开桁架结构设计理论与热控制研究

作　者: 杨玉龙
导　师: 关富玲
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 展开结构桁架式展开天线结构设计热静力学热设计热致振动温度场热变形位移场
分类号: TU323.4
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

空间结构越来越向大型化发展，故展开结构具有广泛的优势。对于展开结构，结构设计和热控制研究是两个基本内容。结构设计主要进行展开性能分析和实体模型设计，热控制研究是为了研究展开结构在轨中的热特性，以进行被动热设计和热控制。本文在大量学者研究的基础上，对结构设计采用阶段设计理论，对热控制研究从热传导方程和热弹性力学方程入手，利用热静力学和非耦合动力学理论，以桁架抛物面展开天线结构为基本模型，采用热有限元法，对其结构设计、温度场、位移场以及热致振动进行分析。主要研究成果如下：为保证展开过程的有效性，在引入展开结构三阶段设计方法的基础上，提出了各阶段需要完成的目标参数和分析模型以及相应的理论进行验证。(1)概念设计阶段的主要任务是从概念上选择合适的展开折叠模式，完成的目标参数主要是可展性和可折叠性，研究模型为拓扑模型，采用广义逆理论进行结构形态控制分析。(2)模型设计阶段的主要任务是确定杆件和结点的具体尺寸，实现展开方案的实物模型化，完成的主要目标参数是杆件和结点协调性，防止实际展开过程中出现偏位和卡死的现象，研究模型为实体模型，采用多体动力学进行理论分析研究。(3)优化阶段的主要任务是对修正后的模型进行优化，完成的目标参数是各种实际目标参数，采用优化理论进行优化分析，实际目标参数作为优化设计的约束函数。结合设计方法，对空间望远镜调焦机构、伸展臂和桁架式可展抛物面天线进行分析。利用热静力学理论，采用热有限元法，编制温度场计算程序，并推导了背架结构所引起的单元遮挡阴影面积。以桁架式展开天线为研究对象，分析背架热控涂层、背架材料以及热控涂层退化的影响等对桁架式展开天线的温度场和热变形的影响，对桁架式展开天线的总体热特性进行研究。提出桁架式展开天线被动热设计基本原则：(1)由于天线各部分温度分布极不均匀，引入极值温度区域指标，根据各构件的工作温度要求，确定设计极值温度区域，同时考虑热控涂层退化引起极值温度区域升高的影响，并且尽可能的选用高辐射率的热控涂层。(2)根据热控涂层吸收率辐射率比与极值温度区域的对应性，选择基本的热控涂层。(3)背架的材料特性对反射面极值温度影响不大，背架材料初始设计可单独进行，并且尽可能选择低热胀系数的材料。为判断瞬态温度场有限元方程(非线性微分方程)解的准确性，结合空间展开结构的特点，引入了趋向准确解的附加收敛准则。利用非耦合动力学理论，推导了热致振动中由瞬态温度场引起的热荷载形式，将瞬态温度场以多点激励的方式施加于空间展开结构模型，进行空间展开结构热致振动特性分析。研究表明：(1)结点的转角位移热致振动比平动位移明显，呈现与结构低阶自由振型相似的特点。(2)结构物理特性不变，改变结构的约束方式，可以调整热致振动现象。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-22
  1.1 空间展开结构  10-15
    1.1.1 展开天线  10-14
    1.1.2 我国空间展开结构的研究现状  14-15
  1.2 空间展开结构的热静力学  15-19
    1.2.1 天线形面精度  15-17
    1.2.2 空间结构的热破坏  17
    1.2.3 空间结构热静力学特性的研究现状  17-19
  1.3 空间展开结构的热致振动  19-20
    1.3.1 空间结构的热致振动  19-20
    1.3.2 热致振动的研究现状  20
  1.4 本文的主要工作  20-22
第二章空间展开结构的结构设计  22-49
  2.1 空间展开结构的阶段设计方法  22-25
    2.1.1 空间展开结构的设计要求  22-23
    2.1.2 空间展开结构的结构设计阶段  23-25
  2.2 空间望远镜调焦机构设计  25-32
    2.2.1 调焦机构设计要求  25-26
    2.2.2 概念设计  26-29
    2.2.3 模型设计  29-31
    2.2.4 优化设计  31-32
  2.3 伸展臂设计  32-38
    2.3.1 伸展臂设计要求  32-33
    2.3.2 概念设计  33-34
    2.3.3 模型设计  34-36
    2.3.4 优化设计  36-38
  2.4 构架式抛物面展开天线设计  38-48
    2.4.1 抛物面展开天线设计要求  38
    2.4.2 概念设计  38-40
    2.4.3 模型设计  40-43
    2.4.4 优化设计  43-48
  2.5 本章小结  48-49
第三章热分析理论基础  49-59
  3.1 热弹性力学  49-53
    3.1.1 热传导方程  49-51
    3.1.2 热弹性力学方程  51-53
  3.2 耦合热弹性力学  53-56
    3.2.1 考虑变形影响的热传导方程  53-55
    3.2.2 耦合热弹性力学的求解  55-56
  3.3 空间展开结构的热分析  56-58
  3.4 本章小结  58-59
第四章热静力学有限元法  59-92
  4.1 空间环境  59-66
    4.1.1 空间环境  59-61
    4.1.2 可展结构的热传递  61-65
    4.1.3 空间外热流的计算  65-66
  4.2 稳态温度场有限元法  66-86
    4.2.1 可展结构的热平衡  66-67
    4.2.2 一维辐射—导热单元稳态有限元法  67-72
    4.2.3 二维辐射—导热单元稳态有限元法  72-79
    4.2.4 结构自身阴影遮挡分析计算  79-86
  4.3 热弹性力学有限元法  86-88
  4.4 稳态温度场程序实现  88-90
    4.4.1 程序框图  88-89
    4.4.2 程序验证  89-90
  4.5 本章小结  90-92
第五章展开结构热静力学特性分析与基本热设计  92-131
  5.1 桁架式展开天线模型及热工况定义  92-94
    5.1.1 展开天线模型  92-93
    5.1.2 展开天线热工况  93-94
  5.2 热控涂层选择分析  94-113
    5.2.1 温度场特性分析  95-106
    5.2.2 热变形分析  106-113
  5.3 热控材料选择分析  113-120
    5.3.1 温度场特性分析  113-117
    5.3.2 热变形分析  117-120
  5.4 热控涂层退化的影响  120-128
  5.5 展开天线总体热静力学特性及被动热设计原则  128-129
    5.5.1 展开天线总体热静力学特性  128-129
    5.5.2 展开天线被动热设计基本原则  129
  5.6 本章小节  129-131
第六章展开结构热致振动动力学分析  131-158
  6.1 瞬态温度场有限元法  131-136
    6.1.1 一维辐射—导热单元瞬态有限元法  132-133
    6.1.2 二维辐射—导热单元瞬态有限元法  133-136
  6.2 瞬态温度场程序实现  136-146
    6.2.1 瞬态温度场方程解的稳定性  136-140
    6.2.2 解的准确性判断  140-142
    6.2.3 程序框图  142-144
    6.2.4 算例验证  144-146
  6.3 展开天线热致振动  146-157
    6.3.1 热致振动动力学方程  146-150
    6.3.2 展开天线热致振动分析  150-157
  6.4 本章小节  157-158
第七章结论与展望  158-160
  7.1 研究结论与创新点  158-159
  7.2 研究展望  159-160
参考文献  160-172
发表文章  172-173
致谢  173

空间展开桁架结构设计理论与热控制研究

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