大型空间环型天线扭转与呼吸运动的非线性动力学研究

来源 :北京工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kongshuai19900505
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大型空间环型桁架结构在航天器、飞行器等领域有着极其广泛的应用。通讯工具、空间科学、气象测绘等方面的迅速发展,对卫星天线应用的需求与日俱增,并且对卫星天线的工作效率和尺度提出了更高的要求。大型空间可展环型天线口径可达6-150米,并且具有展开面积大、轻量化,收拢体积小等显著优势,是目前满足大型通讯卫星天线工作要求的较优结构。空间大型网架式可展天线的研制受到航天大国的重视,国内尚未发射这类环形桁架可展结构的卫星天线,我国神舟九号传回数据发现其太阳能帆板在太空条件下出现大幅值振动现象,因此对环形桁架可展结构在太空条件下大幅振动现象的研究是目前亟待解决的难题。  本文应用FEM方法对天线的振型和固有频率进行初步分析;运用Reddy一阶剪切理论和Hamilton原理建立卫星扭转与呼吸运动耦合情形的运动控制方程;理论推导变量v,w对天线振动形态的影响;运用Galerkin方法对运动偏微分方程进行离散;分析太空工作环境中受热激励幅值作用下天线的复杂的非线性动力学行为。论文的研究内容分为如下几个部分:  (1)运用FEM方法对环形桁架天线结构进行模拟。对天线结构进行模态分析,得到了天线前四阶振动频率和振型;选取不同材料参数研究不同材料参数对天线固有频率的影响;对天线结构进行谐响应分析研究环形桁架天线的动力学响应特性。这部分研究内容为后续天线振动模态的选取提供重要的参考。  (2)建立扭转与呼吸运动耦合的环型桁架运动控制方程。考虑几何大变形的非线性因素,基于Reddy一阶剪切变形理论与Hamiltion原理,得到了受变化温度场作用下的非线性偏微分运动控制方程。用Galerkin法进行离散得到而自由度非线性常微分运动控制方程。  (3)研究环型桁架天线扭转与呼吸运动耦合情况下的动力学响应及非线性特性。运用Matlab对常微分方程进行数值模拟,得到了系统的分叉图、相图和波形图。分析了热激励幅值对系统的非线性动力学行为的影响。  (4)考虑环型桁架天线扭转与呼吸运动耦合情况下的运动控制方程,考虑1∶1内共振的情况,研究了环型桁架的非线性特性。利用多尺度法将两自由度的系统运动控制方程化为四维平均方程。对平均方程进行数值模拟,得到了系统的分叉图、相图和波形图。分析了热激励幅值与阻尼系数对系统的非线性动力学行为的影响。
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