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单元构架式抛物面天线张紧绳索多层设计方法

王辉 何天宇 都显琛 王春洁

王辉, 何天宇, 都显琛, 等 . 单元构架式抛物面天线张紧绳索多层设计方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(4): 657-664. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0616
引用本文: 王辉, 何天宇, 都显琛, 等 . 单元构架式抛物面天线张紧绳索多层设计方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(4): 657-664. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0616
WANG Hui, HE Tianyu, DU Xianchen, et al. Multi-layer design method of tension rope for paraboloid antenna[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(4): 657-664. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0616(in Chinese)
Citation: WANG Hui, HE Tianyu, DU Xianchen, et al. Multi-layer design method of tension rope for paraboloid antenna[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(4): 657-664. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0616(in Chinese)

单元构架式抛物面天线张紧绳索多层设计方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0616
基金项目: 

国家自然科学基金 51635002

详细信息
    通讯作者:

    王春洁, E-mail: wangcj@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V443+.4

Multi-layer design method of tension rope for paraboloid antenna

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51635002

More Information
  • 摘要:

    星载抛物面天线在轨运行时由于姿态调整或环境因素变化,可能产生振动,从而降低其工作性能。为了减弱振动的影响,需采取加装张紧绳索的方法来提升天线刚度。提出了一种新型张紧绳索多层设计方法,通过将抛物面天线划分为多层,调整各层绳索的张紧力,从而提高天线结构刚度,同时尽量降低张紧力引起的形面误差。为了验证所提方法的有效性,建立了天线的有限元模型。在此基础上进行了有限元分析,研究了不同张紧力参数配置下的结构刚度和形面误差,并以提升结构刚度的同时降低张紧力引起的形面误差为目标,对张紧力参数进行了优化设计。为了提高计算效率,采用响应面法建立代理模型参与优化迭代计算。采用非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)完成优化迭代计算,优化后的张紧力参数使天线的性能得到了进一步的提升,为构架式可展开抛物面天线的设计提供理论指导。

     

  • 图 1  抛物面天线构架结构

    Figure 1.  Structure diagram of paraboloid antenna frame

    图 2  构架变形前

    Figure 2.  Frame before deformation

    图 3  构架变形后

    Figure 3.  Frame after deformation

    图 4  张紧力绳索布置方案

    Figure 4.  Arrangement scheme of tension rope

    图 5  中心模块力矢量图

    Figure 5.  Force vector diagram of central module

    图 6  抛物面天线有限元模型

    Figure 6.  Finite element model of paraboloid antenna

    图 7  取样点分布

    Figure 7.  Distribution of sampling points

    图 8  抛物面天线变形图

    Figure 8.  Deformation diagram of paraboloid antenna

    图 9  帕累托前沿曲线

    Figure 9.  Curve of Pareto front

    表  1  Bushing元位移刚度参数设置

    Table  1.   Parameter setting of displacement stiffness for Bushing coupling

    位移刚度 数值/(N·mm-1)
    D11 108
    D22 108
    D33 108
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    表  2  Bushing元转动刚度参数设置

    Table  2.   Parameter setting of rotational stiffness for Bushing coupling

    转动刚度 数值/(N·mm·rad-1)
    D44 108
    D55 108
    D66 10
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    表  3  模型属性设置

    Table  3.   Model property setting

    参数 绳索
    材料 铝合金 钢丝
    弹性模量/MPa 7×104 1.5×105
    密度/(t·mm-3) 2.84×10-9 7.9×10-9
    泊松比 0.31 0.31
    单元类型 Beam Truss
    网格类型 Beam T3D2
    截面尺寸/mm 直径: 15, 厚度: 1 直径:1
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    表  4  无绳索天线固有频率及平均固有频率

    Table  4.   Natural frequency and average natural frequency of cordless antenna

    阶层 固有频率(方案0)/Hz
    1阶 0.490
    2阶 0.800
    3阶 1.841
    4阶 4.350
    5阶 6.732
    6阶 8.203
    C 0.962
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    表  5  张紧力布置方案

    Table  5.   Tension arrangement scheme

    阶层 张紧力/N
    方案1 方案2 方案3 方案4
    1层 200 140 220 290
    2层 200 300 270 250
    3层 200 170 190 110
    4层 200 190 120 150
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    表  6  不同方案各阶固有频率及平均固有频率

    Table  6.   Natural frequency and average natural frequency of each order for different schemes

    阶层 固有频率/Hz
    方案1 方案2 方案3 方案4
    1阶 0.503 0.504 0.504 0.505
    2阶 0.808 0.808 0.808 0.808
    3阶 1.830 1.829 1.829 1.830
    4阶 6.938 6.920 6.920 6.910
    5阶 10.078 10.046 10.046 10.029
    6阶 16.291 16.285 16.285 16.283
    C 1.022 1.023 1.023 1.025
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    表  7  不同方案形面误差

    Table  7.   Shape error of different schemes

    方案 张紧力/N 形面误差/mm
    1层 2层 3层 4层
    方案1 200 200 200 200 0.177
    方案2 140 300 170 190 0.066
    方案3 220 270 190 120 0.109
    方案4 290 250 110 150 0.056
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    表  8  响应面精度系数

    Table  8.   Response surface accuracy coefficient

    指标 RMSE R2
    C 0.000 076 0.992 176
    T 0.003 468 0.999 587
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    表  9  优化算法参数配置

    Table  9.   Parameter configuration of optimization algorithm

    参数 数值
    种群数 12
    进化代数 20
    交叉指数 10
    变异指数 20
    交叉概率 0.9
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    表  10  最优解验证

    Table  10.   Verification of optimal solution

    名称 最优解 对照组
    F1/N 271.95 200
    F2/N 249.21 200
    F3/N 103.38 200
    F4/N 101.13 200
    C/Hz 1.024 1.023
    T/mm 0.020 0.177
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-04
  • 录用日期:  2020-12-21
  • 网络出版日期:  2022-04-20

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