充氣膜結(jié)構(gòu)反射面的形態(tài)分析與優(yōu)化方法研究.pdf

1、空間探索對(duì)大型星載天線反射面等大型輕型空間結(jié)構(gòu)的需求日益強(qiáng)烈。利用充氣膜結(jié)構(gòu)技術(shù)構(gòu)建的大型空間充氣展開結(jié)構(gòu)具有重量輕折疊體積小的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)空間大型展開結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)之一。為了利用充氣膜結(jié)構(gòu)研制星載大口徑高精度拋物面型的天線反射面，需要建立利用充氣變形后形狀確定充氣變形前形狀的逆過(guò)程分析方法，需要建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，通過(guò)調(diào)整充氣壓力和邊界拉力得到同時(shí)滿足高精度形狀要求和應(yīng)力分布均勻要求的充氣膜結(jié)構(gòu)反射面。因此本文開展了高精度膜結(jié)構(gòu)反射面

2、的形態(tài)分析和優(yōu)化方法研究。
　　為了更為準(zhǔn)確地描述在充氣壓力作用下充氣膜結(jié)構(gòu)形狀和應(yīng)力分布狀態(tài)的非線性耦合關(guān)系，針對(duì)膜結(jié)構(gòu)的形狀描述方法進(jìn)行了研究，建立了基于非線性幾何場(chǎng)理論的充氣膜結(jié)構(gòu)反射面分析模型。基于隨體坐標(biāo)系描述法，以變形后的構(gòu)形為參考基準(zhǔn)，構(gòu)建了變形和局部轉(zhuǎn)動(dòng)項(xiàng)組成的反射面應(yīng)變描述模型，得到了比經(jīng)典理論更為精確的應(yīng)變-位移幾何關(guān)系。
　　針對(duì)充氣膜結(jié)構(gòu)反射面充氣后的高精度拋物面形狀要求，建立了理想狀態(tài)形狀模型和均勻

3、應(yīng)力分布模型。在非線性幾何場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上，建立了充氣膜結(jié)構(gòu)反射面的平衡關(guān)系，求解了理想狀態(tài)反射面應(yīng)力和位移的解析解，獲得了充氣膜結(jié)構(gòu)反射面變形前和變形后的形狀和應(yīng)力分布狀態(tài)。建立了均勻應(yīng)力分布模型，在滿足形面精度要求條件下，獲得了應(yīng)力相對(duì)均勻的幾何構(gòu)形。在理想狀態(tài)形狀模型的基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)改變膜厚度方式改進(jìn)反射面應(yīng)力均勻度的方法，確定了最佳的反射面厚度變化規(guī)律。
　　充氣膜結(jié)構(gòu)反射面通常是不可展曲面，需要由多個(gè)平面膜片拼接并粘貼

4、成整體曲面。為獲得最佳的初始無(wú)應(yīng)力膜片幾何形狀，提出了高精度反射面初始構(gòu)形確定的逆迭代加權(quán)找形法。利用非線性有限元數(shù)值計(jì)算工具，以理想狀態(tài)形狀模型的幾何構(gòu)形為起始形狀，通過(guò)局部加權(quán)回縮量的方法修改初始幾何構(gòu)形進(jìn)行分析。提出了正弦函數(shù)形式的權(quán)函數(shù)模型，確定了權(quán)函數(shù)表達(dá)式中的參數(shù)，進(jìn)行迭代過(guò)程中幾何形狀調(diào)整，通過(guò)逆迭代分析，最后得到滿足反射面形面精度要求的初始幾何形狀。分析結(jié)果表明，本文的逆迭代加權(quán)找形法確定的初始無(wú)應(yīng)力平面膜片幾何形狀能夠

5、有效的減小反射面的“W形”誤差。
　　利用高精度非接觸數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量法進(jìn)行了充氣膜結(jié)構(gòu)反射面形面精度測(cè)量試驗(yàn)，得到了不同邊界繩張力條件下充氣天線反射面的形面精度、口徑以及邊界處天篷和反射面的夾角。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了逆迭代加權(quán)找形法分析的準(zhǔn)確性。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，確定了邊界繩張力、充氣壓力等影響因素和形面精度的關(guān)系。
　　綜合考慮初始幾何構(gòu)形、充氣壓力和邊界拉力等形面精度的影響因素，建立了基于遺傳算法的充氣膜結(jié)構(gòu)反射面的多參數(shù)、多目