CN119442718A 一种基于简化促动器的大型反射面天线主动主反射体结构建模及分析方法 （新疆大学）

一种基于简化促动器的大型反射面天线主本发明涉及一种基于简化促动器的大型反射面天线主动主反射体结构建模及分析方法.首先,将简化促动器引入天线结构模型中并建立包含简化促动器的主动主反射体结构模型;其次,通过该模型由环境载荷导致的变形结果可得到促动器实际调整指向;最后,将促动器结构假设为刚性并使主动调整结构分析简化为面板支撑节点沿实际促动器指向调整指定位移的有限元约束方程,求解该方程得到面板调整后的精确结2化促动器引入天线结构模型中并采用有限元方法建立包含简化促动器的天线主动主反射(2)对该模型施加重力载荷并进行结构分析，得到天线结构模型的重力变形及简化促(3)假设促动器为刚性构件，将天线主动调整结构分析简化为重力载荷下约束面板支,,,uadc等为天线结构中除调整梁的其他单元节点和调整梁上下两端节点互相连接关系对应的刚度矩阵，uod为除调整梁的其他结构节点位移，uua为调整梁上端节点位求解该方程，将调整梁节点原坐标与调整梁节点位移,,3occp为面板中的其他节点和支撑点所对应的刚度矩阵，uop为面板除支撑点将重力载荷下天线结构模型的面板支撑点位移施加给面板,提取重力载荷下天线结构模型中面板支撑点的节点位移uG，则重力载荷下经主动调整,,计算得到的面板模型变形可近似天线结构模型中主动2.根据权利要求1所述的基于简化促动器的大型反射面天线主动主反射体结构建模及3.根据权利要求1所述的基于简化促动器的大型反射面天线主动主反射体结构建模及4.根据权利要求1所述的基于简化促动器的大型反射面天线主动主反射体结构建模及5.根据权利要求1所述的基于简化促动器的大型反射面天线主动主反射体结构建模及6.根据权利要求1所述的基于简化促动器的大型反射面天线主动主反射体结构建模及7.根据权利要求1所述的基于简化促动器的大型反射面天线主动主反射体结构建模及4[0001]本发明公开了一种基于简化促动器的大型反射面天线主动主反射体结构建模及分析方法,能够精确计算大型反射面天线沿促动器实际指向主动调整后面板变形.该方法适用于各种大型反射面天线面板主动调整时的结构分析.[0002]随着深空探测、射电天文等领域的发吨的高精度大型反射面天线,其形面很难实现毫米甚至亚毫米的精度指标.为了使反射面达到精度要求,主动面技术作为有效补偿天线表面误差的方法,被广泛应用于表面精度要求很高的大型反射面天线.[0003]促动器在主动面技术中起调整作用,是该技术的关键部件,但其根据天线实际需要来设计机构与控制系统导致促动器在实际工程中各不相同且结构复杂,很难在仿真计算中真实模拟其运动特性与调整功能.例如,美国的GreenBankTelescope(GBT)在2004板中分布有2209个精密促动器,其由直流电机驱动,采用线性可变差动变压器来测量促动器定位精度,当面板调整到指定位置时自锁装置将其锁定.墨西哥的LargeMillimeterTelescope(LMT)主动面系统分布有720个促动器,由电机和减速传动机构组成,采用杠杆带动螺杆作直线运动的方式,其设有最大行程限位开关来限制行程大小.大型反射面天线的主动面系统还采用各种传感器和控制系统来实时监测与控制促动器调整面板,使主动调整更加精确与稳定.可见,主动面系统结构复杂,促动器种类众多,将其完整建立在仿真模型的运动特性与调整功能对其进行简化并引入天线模型中来进行结构仿真分析.[0004]在主动调整的结构分析中,目前大多研究大多基于促动器与天线结构分离的情况,即简单地将面板的变形信息提取出来进行分析,没有考虑天线结构变形后促动器位[0005]本发明的目的在于避免背景技术中的不足之处而提供一种高精度的大型反射面天线主动主反射体结构建模及分析方法.提供了一种具有支撑特性与调整功能的促动器简化方法,其特征在于将结构复杂的实际促动器简化为调整梁、支撑桁架与支撑梁组成的简单结构.所述的简化促动器主动主反射体结构模型中进行结构分析能够得到重力变形后促动器的位置变化与指向变化.5提供了一种主动调整分析的简化方法,其特征在于将促动器假设为刚性部件,单独建立面板模型并将主反射体面板支撑点重力变形施加给该模型使其变形近似,再根据给定调整量与主反射体变形后促动器的指向计算调整点位移,将位移施加给面板模型的刚度方程.所述的主动调整分析方法考虑了促动器指向变化,能够计算主动调整后面板的精确变形.[0007]基于简化促动器的大型反射面天线主动主反射体结构建模及分析方法,包括以下该简化促动器引入天线结构模型中并采用有限元方法建立包含简化促动器的天线主动主(2)对该模型施加重力载荷并进行结构分析,得到天线结构模型的重力变形及简(3)假设促动器为刚性构件,将天线主动调整结构分析简化为重力载荷下约束面板支撑点位移使面板变形近似主动主反射体模型,然后面板支撑节点沿促动器指向调整指定位移,从而实现面板主动调整精确结构分析,自由度顺序构建整体模型的刚度矩阵K,计算重力等效节点载荷列向量P,与模型节点位移.actuator等为背架、面板和促动器互相连接关系对应的刚度矩阵,ubus为背架中单元节点的位移,upanel为面板中单元节点的位移,uactuator为促动器中单元节点的位移,Pbus为背架中单元的节载荷,Ppanel为面板中单元的节点载荷,Pactuator为促动器中单元的节点载荷..uadc等为天线结构中除调整梁的其他单元节点和调整梁上下两端节点互相连接关系对应的刚度矩阵,uod为除调整梁的其他结构节点位移,uua为调整梁上端节点求解该方程,将调整梁节点原坐标与调整梁节点位移求和,可得到该模型重力变.6标.(5)建立天线结构模型中只有面板的模型(以下简称面板模型),其结构变形可表.occp为面板中的其他节点和支撑点所对应的刚度矩阵,uop为面板除支将重力载荷下天线结构模型的面板支撑点位移施加给面板模型对应节点,对该面板模型施加重力载荷进行结构分析,得到天线结构模型中面板与面板模型的近似变形..提取重力载荷下天线结构模型中面板支撑点的节点位移uG,则重力载荷下经主动.计算得到的面板模型变形可近似天线结构模型中主动调整后的面板变形.通过比较该方法与有限元软件的计算结果来判断该方法的正确性和有效性,该方法能够精确分析大型反射面天线主动调整后的结构变形.[0009]图2是天线主动面主动调整简化为面板支撑点沿促动器指向调整指定位移示意[0014]参照图1_6,一种基于简化促动器的大型反射面天线主动主反射体结构建模及分[0015]将促动器结构简化为三个部分支撑梁、支撑桁架和调整梁,都由短梁构成.使用ANSYS建立天包含简化促动器的天线主动主反射体有限元结构模型并对面板进行三角形网7格划分,其模型由面板,背架和简化促动器三部分组成,简化促动器中的支撑梁上端节点和面板支撑点连接,背架的上弦节点和促动器调整梁下端节点连接.背架和促动器使用Beam4(1)局部坐标系中的空间梁单元,有2个节点i和j,每个节点6个自由度,其节点位r-[r其中,为空间梁的杨氏模量,Aij为包含节点i和j的梁的横截面积,lij为包含节点i和j的梁的长度.当梁受扭转作用时,可以把扭转角θx1和其中,G为剪切模量,Jij为梁ij的转动惯性矩.将上述刚度矩阵按照自由度顺序进行组合得到局部坐标系下完整的单元刚度矩89E为弹性模量,Iz为绕z轴的惯性矩,G为剪切模量,Az为截面沿z轴方向的有效受剪面积,L为单元长度.其中Az=A/Fz,为单元横截面面积,Fz为沿z轴方向的剪切变形系数.ɸz也是同理.在刚度方程的计算中,需要将单元的节点载荷和节点位移从局部坐标系转换到整体坐标系,并将单元刚度矩阵也作相应的坐标变换.然后才能将单元的整体刚度矩阵与节点载荷按照叠加规则直接相加组成整体刚度方程.下面介绍坐标系的转换计算方法.P=TpeKT=Tke移向量.三角形弯曲单元由离散基尔霍夫理论(DiscreteKirchhoffTheory,DKT)单元组,,由于Allman转动自由度能够增强壳结构在大转动时的收敛性,并能用于结构大变形分析,故采用改进后的带有Allman转动刚度的三角形膜单元(SHELL63单元选择KEYOPTu,=a+a,s其中s为三角形膜单元一边的任意一点到一端节点的距离,系数a1…a5为未知数.令边长为l,则有其中,γ为每条边向外的法线与x轴之间的夹角.显然,这两个自由度的旋转在平面弹性分析中是不真实的,但与节点旋转息息相关.同时上式的使用既不阻止位移的兼容性,也不限制三角形单元的顶点角度变化.因此,所有恒定的应变状态都可以用此类公式精确表示,从而保证能够收敛到具有一致网格优化的精确解.根据上式,可得该单元只有5个独立的应变系数,故由上式以及应故可得到局部坐标系下的应变矩阵,根据有限元计算流程,Allman单元的刚度矩通过构造线性应变三角形单元(LinearStrainTriangle,LST)对Allman三角形单元进行了拓展与改进,消除了每条边中点的平动位移,更有利于计算角点的旋转自由度,K=T"KSTKLST为线性应变三角形单元的刚度矩阵.V为膜单元体积.KAI为修正后的Allman三此时该单元仍旧存在零能模式,这是由于单元只有一个积分点,在受弯时该积分点没有任何的应变能,此时此单元没有任何刚度起来,得到局部坐标系下SHELL63单元的刚度矩阵.此时还需要将刚度矩系,与梁单元相似,通过计算局部坐标系与整体坐标系的方向余弦来得到坐将上述壳单元和梁单元进行空间坐标变换后代入各节点坐标,按照节点编号整合,得到整体刚度矩阵K.[0017]由于本案例只对重力载荷进行分析,故计算在仰天工况与指平工况下天线结构模型受重力下各单元的节点等效载荷并按照节点顺序整合为载荷列向量P.再通过整体刚度K·U=P可计算出天线结构模型中各节点的位移.[0018]将调整梁节点原坐标与调整梁节点位移求和,可得到该模型重力变形且简化促动坐标.[0019]建立天线结构模型中只有面板的模型(以下简称面板模型),其结构变形可表示occp为面板中的其他节点和支撑点所对应的刚度矩阵,uop为面板除支将重力载荷下天线结构模型的面板支撑点位移施加给面板模型对应节点,对该面板模型施加重力载荷进行结构分析,得到天线结构模型中面板与面板模型的近似变形.提取重力载荷下天线结构模型中面板支撑点的节点位移uG,则重力载荷下经主动[0021]本案例中每个促动器调整量范围设定在±5mm,以理想天线主反射面在重力变形条件下计算主动调整结构分析,给予促动器随机调整量,将随机调整量等效到调整梁所对应面板支撑点调整量,对该模型施加位移约束.[0022]将位移约束输入到ANSYS天线面板仿真模型中,得到主动调整完成后的天线面板模型各节点位移及相关数据.[0023]对比结果