一种索网反射面星载天线在轨振动分析方法技术

本发明专利技术公开了一种索网反射面星载天线在轨振动分析方法，将索网反射面星载天线归纳分解为具有某种功能的基本部分；描述各部分的几何特性并提取各部分几何信息，完成热和结构的有限元建模；利用轨道参数计算出天线在轨的温度场分布，天线进出阴影区温度场分布的时间历程；进行星载天线瞬态动力学分析与静力学分析，计算热致瞬态振动；建立起电性能与振动特性的线性近似关系；求出天线进出阴影区时的电性能变化。本发明专利技术实现了快速化建模，提高了索网反射面星载天线在轨振动的分析效率；天线主要的几何信息均采用简单的线、面来描述，既简化了天线结构的几何描述，又利于多场分析时有限元网格的划分。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达天线
，尤其涉及一种索网反射面星载天线在轨振动分析方法。
技术介绍
目前，索网反射面天线是国防及航天领域不可缺少的设备之一，由于其尺寸及质量上的巨大优势，各种卫星等宇航器上频繁使用索网反射面天线，用于空间探测、卫星通信、地球观测、电子侦察等领域。大型可展开天线结构在恶劣的外层空间环境中，周期性的经历±200℃的日照区和阴影区，导致结构产生周期性的热变形和热应力。特别是进出阴影区时作用在天线上的热载荷会产生突变，从而引起结构的热振动。因为其敏感性和热稳定性要求很高，热载荷引起的反射面变形会使天线电性能极度恶化；同时，热载荷的突变引起的热振动还会影响天线在轨道飞行中的姿态控制。若使星载天线在恶劣的空间环境服役过程中达到预期的性能指标，需要对天线的热—结构—电进行综合仿真分析，为实际工程提供合理有效信息，指导电性能补偿以及姿态调控等操作环节。星载天线分析模型是对各项性能进行仿真和综合分析的基础，然而现有的建模和分析方法有较多的局限性，体现在以下几个方面：(1)传统建模时多为对单一实体模型进行建模，不能考虑到天线全模型的整体性和系统性。(2)在各场分析过程中模型时相对独立的，这会导致分析模型的衔接性差，并且不能体现天线系统多场耦合的特点。(3)传统分析天线在轨热载荷时只考虑到其在温载作用下的热致变形，忽略其热致瞬态振动的特点。(4)传统对于星载天线的电性能分析，是利用某时刻天线变形后的反射面节点信息进行求解。当天线的变形实时变化时，需要实时对其进行结构分析，然后获得相应的电磁性能，不停地重复这一过程。很显然，这种分析天线在轨振动时电性能的方法效率低下，耗时耗力，并且相当于每一次计算只是静态变形的叠加运算，并不能体现在轨振动时天线电性能的变化特点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有方法的不足，提供一种索网反射面星载天线在轨振动分析方法。本专利技术是这样实现的，所述索网反射面星载天线在轨振动分析方法包括以下步骤：步骤一，将索网反射面星载天线归纳分解为具有某种功能的基本部分；步骤二，描述各部分的几何特性并提取各部分几何信息，依据被连接部分和连接位置点坐标的连接信息以及各部分单元属性、材料属性、尺寸属性，在热和结构分析中实现有限元模型各部分之间的有限元网格划分及连接，完成热和结构的有限元建模；步骤三，利用轨道参数计算出天线在轨的温度场分布，天线进出阴影区温度场分布的时间历程；步骤四，将分析得到的温度场时间历程作为温度载荷加载到结构有限元模型上，设定阻尼系数、载荷步长、积分步长并建立初始条件，进行星载天线的瞬态动力学和静力学分析，分析得出天线节点的振动位移信息，完成在时变温度载荷下天线的热致振动分析；步骤五，根据未变形时的反射面形状进行反射面的电性能有限元网格划分，仿真计算天线每一阶模态变形对天线主轴方向系数的敏度矩阵，建立起电性能与振动特性的线性近似关系；利用模态坐标变换将热致振动响应展开成各阶振型的线性叠加，根据上述的敏度矩阵和展开后的每一阶模态坐标求出天线进出阴影区时的电性能变化。进一步，所述基本部分包括：柔性支撑臂、周边桁架构件、索网、反射丝网和桁架接头。进一步，所述柔性支撑臂的几何特性用直线和圆柱面的集合描述；所述周边桁架构件和索网的几何特性均用直线的集合描述；所述反射丝网的几何特性用三角形平面的集合描述；所述桁架接头的几何特性用薄壁立体的集合来描述。进一步，直线的几何信息为两端点信息；圆柱面的几何信息为圆柱面轴线两端点信息及圆柱面半径；三角形平面的几何信息为三角形三个顶点的信息；薄壁立体的几何信息直接用Pro/E图形文件来表示；每个点的几何信息包括点的编号及空间坐标。进一步，根据天线的柔性支撑臂、周边桁架构件、索网和反射丝网四部分的几何信息进行结构分析有限元网格划分；根据桁架接头部分的Pro/E图形文件对桁架接头进行有限元网格划分。其中，柔性支撑臂、周边桁架构件、索网和反射丝网四部分进行结构力学分析有限元网格划分时，直线用空间梁单元进行有限元网格划分，圆柱面用壳单元进行有限元网格划分，三角形平面用仅能单向受拉的膜单元进行网格划分；周边桁架构件接头部分采用实体壳单元进行有限元网格划分，并检索连接信息集合。进一步，所述的热致振动分析是指，分别对星载天线在温度载荷作用下进行瞬态动力学和静力学分析，最后将热致动力响应减去热致静变形即得到热致瞬态振动成分。进一步，所述的步骤五中求解电性能的具体过程有如下几步：5a)首先，由于天线结构的在轨振动幅度很小，将主轴方向系数相对于表面节点位移进行一阶线性近似：G＝G0+KΔr(1)其中，G为天线主轴方向系数，G0为理想状态下的天线主轴方向系数，Δr为表面节点位移，K为天线主轴方向系数对节点位移的一阶导数列向量。5b)由于天线结构自由度庞大，采用模态叠加法将结构振动变形转换到模态坐标中进行分析。故节点位移可以描述为各阶振动模态的叠加：其中，Φi(i＝1,2,...,n)为天线结构的第i阶振动模态，qi为相应的模态坐标，n为所关心的模态变形阶数。将式(2)代入式(1)可得主轴方向系数与模态坐标的关系：其中，表示天线主轴方向系数对模态坐标的导数。5c)对天线进行模态分析，得到天线振动的前n阶振动模态，针对每一阶模态可能的最大变形，由振动模态Φi和模态坐标生成对应的天线结构变形根据变形后的反射面位置利用电性能分析软件分析得到天线的主轴方向系数Gi，由差分法得到：依次取i＝1,2,···,n，即可得到式(3)中的各个系数5d)采用模态叠加法对天线结构进行在轨热致振动分析，进行模态坐标变换得到各阶振动响应下的时变模态坐标qi(t),(i＝1,2,...,n)，将其代入(3)式即可求出天线系统在轨受到热载荷时的主轴方向系数变化情况。本专利技术提供的索网反射面星载天线在轨振动分析方法，旨在能够避免琐碎的几何元素的重复性建模操作，同时增加各场分析模型的衔接性，提高索网反射面星载天线在轨振动的热—结构—电多场分析效率，指导实际工程并对其电性能补偿和姿态调控等操作反馈有效信息。本专利技术针对索网反射面星载天线的特点，将其归纳分解为具有某种功能的五个基本部分，基本部分中已包含有足够的信息，利用这些信息可以自动生成多场分析模型，实现多场间数据和分析结果的自动传递；需要修改天线模型时，只需简单修改相应部分的几何参数，避免琐碎的几何元素的重复性操作，实现了快速化建模，提高了索网反射面星载天线在轨振动的热—结构—电多场分析效率；天线主要的几何信息均采用简单的线、面来描述，既简化了结构的天线几何描述，又利于多场分析时有限元网格的划分。本专利技术在计算天线热致振动响应时，分别求解其瞬态动力学和静力学响应，能够有效区分热致变形与热致振动，更好地分析其振动特性。本专利技术在计算天线在在轨振动工况下的电性能时，提出采用模态坐标作为连接电性能与振动性能的桥梁。该方法利用敏度矩阵法建立起电性能与振动特性的线性近似关系，当天线变形实时变化时，只需计算实时的模态坐标，即可实现在轨振动下天线电性能的快速分析，为天线在轨振动下的电性能特性提供参考。附图说明图1是本专利技术实施例提供的索网反射面星载天线在轨振动分析方法流程图。图2是本专利技术实施例提供的整星系统有限元模型。图3是本专利技术实施例提供的索网反射面星载天本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种索网反射面星载天线在轨振动分析方法，其特征在于，所述索网反射面星载天线在轨振动分析方法包括以下步骤：步骤一，将索网反射面星载天线归纳分解为具有某种功能的基本部分；步骤二，描述各部分的几何特性并提取各部分几何信息，依据被连接部分和连接位置点坐标的连接信息，在热和结构分析中实现各部分之间的有限元网格划分及连接，完成热和结构的有限元建模；步骤三，利用轨道参数计算出天线在轨的温度场分布，天线进出阴影区温度场分布的时间历程；步骤四，将分析得到的温度场时间历程作为外载荷加载到结构有限元模型上，进行星载天线瞬态动力学与静力学分析，计算热致瞬态振动；步骤五，根据未变形时的反射面形状进行反射面的电性能有限元网格划分，仿真计算天线每一阶模态变形对天线主轴方向系数的敏度矩阵，建立起电性能与振动特性的线性近似关系；利用模态坐标变换将热致振动响应展开成各阶振型的线性叠加，根据上述的敏度矩阵和展开后的每一阶模态坐标求出天线进出阴影区时的电性能变化。

【技术特征摘要】
1.一种索网反射面星载天线在轨振动分析方法，其特征在于，所述索网反射面星载天线在轨振动分析方法包括以下步骤：步骤一，将索网反射面星载天线归纳分解为具有某种功能的基本部分；步骤二，描述各部分的几何特性并提取各部分几何信息，依据被连接部分和连接位置点坐标的连接信息，在热和结构分析中实现各部分之间的有限元网格划分及连接，完成热和结构的有限元建模；步骤三，利用轨道参数计算出天线在轨的温度场分布，天线进出阴影区温度场分布的时间历程；步骤四，将分析得到的温度场时间历程作为外载荷加载到结构有限元模型上，进行星载天线瞬态动力学与静力学分析，计算热致瞬态振动；步骤五，根据未变形时的反射面形状进行反射面的电性能有限元网格划分，仿真计算天线每一阶模态变形对天线主轴方向系数的敏度矩阵，建立起电性能与振动特性的线性近似关系；利用模态坐标变换将热致振动响应展开成各阶振型的线性叠加，根据上述的敏度矩阵和展开后的每一阶模态坐标求出天线进出阴影区时的电性能变化。2.如权利要求1所述的索网反射面星载天线在轨振动分析方法，其特征在于，所述基本部分包括：柔性支撑臂、周边桁架构件、索网、反射丝网和桁架接头。3.如权利要求2所述的索网反射面星载天线在轨振动分析方法，其特征在于，所述柔性支撑臂的几何特性用直线和圆柱面的集合描述；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛东明，杜敬利，张岳震，李海洋，张逸群，杨东武，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61