空间充气展开天线动力学研究

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空间充气展开结构是一种以柔性复合材料薄膜构造的新型空间结构,具有发射体积小、结构质量轻、研究和制造成本低、展开可靠等优点,并且可以构建大型和超大型的空间结构,因此具有广阔的应用前景。空间充气展开结构在轨运行过程中会遇到各种因素的干扰,并且有时候要进行轨道机动和姿态调整,这些都会引起结构的动力学响应。本文主要利用有限元软件ANSYS对大型空间充气展开结构进行模态分析和瞬态动力分析,并进一步研究结构参数的影响,为今后的结构设计和材料选择提供理论依据。 本文选择空间充气展开天线为研究对象,利用ANSYS软件分别对固化前和固化后的空间充气展开天线支撑结构进行了模态分析,得到了结构的前几阶固有频率和振型,并分别研究了支撑管直径、支撑管壁厚、支撑环截面直径、支撑环壁厚、反射面半径、充气压力等主要结构参数对支撑结构前十阶固有频率的影响。从结果中可以看出:固化前后支撑结构的固有频率值都很低,并且固化前后支撑结构的前几阶振型也发生了变化;各结构参数对支撑结构各阶固有频率值有着不同的影响。 根据空间充气展开天线在轨进行轨道机动和姿态调整的运动形式,定义了两种有代表性的荷载时间曲线,使结构分别沿着轴向和侧向产生一定的初始位移,通过数值模拟研究随后结构的动力学响应,并研究加载方式的改变对结构响应的影响。分析结果表明:支撑环和支撑管均发生了振动,并且各处的振幅不相同;节点上的VonMises应力分别在运动期间和自由振动期间到达了一次峰值;沿侧向运动时,实现相同位移需要的时间越短,对结构进行自由振动的影响越大。然后以沿着轴向加一定的初始位移为例,研究支撑管直径改变和碳纤维预浸布厚度改变对结构动力学响应的影响。结果表明:随着支撑管直径的增大,节点沿轴向的位移峰值不断减小;随着材料厚度的增大,节点沿轴向的位移峰值并没有发生显著的变化,说明材料厚度在此范围内变化对结构的动力响应影响不大。另外,对未固化但充有气体的空间充气展开天线也进行了类似的分析。
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