索-梁-膜张拉式天线展开机构非线性动力学特性及参数优化分析

doi:10.3901/JME.2025.01.092

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (1): 92-100.doi: 10.3901/JME.2025.01.092

• 机器人及机构学 • 上一篇

扫码分享

索-梁-膜张拉式天线展开机构非线性动力学特性及参数优化分析

刘瑞伟¹, 张碧峰^1,2, 范雅婷¹, 温兆麟¹, 肖体兵², 郭宏伟³

1. 广州航海学院船舶与海洋工程学院广州 510700;
2. 广东工业大学机电工程学院广州 510066;
3. 哈尔滨工业大学机器人技术及系统国家重点实验室哈尔滨 150001

收稿日期:2024-01-27 修回日期:2024-07-20 发布日期:2025-02-26
作者简介:刘瑞伟，男，1991年出生，博士，讲师，硕士研究生导师。主要研究方向为空间天线折展机构，预应力结构。E-mail：liuruiwei8124@163.com
郭宏伟(通信作者)，男，1980年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为空间折展机构及控制，飞行器智能变形结构与机构。E-mail：guohw@hit.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52105011,52175010)、广州市基础与应用基础研究(SL2023A04J00685)和广州市“羊城学者”(202235334)资助项目。

Nonlinear Dynamic Characterization and Parameter Optimization Analysis of Cable-beam-membrane Tension Antenna Deployable Structure

LIU Ruiwei¹, ZHANG Bifeng^1,2, FAN Yating¹, WEN Zhaolin¹, XIAO Tibing², GUO Hongwei³

1. School of Naval Architecture and Marine Engineering, Guangzhou Maritime University, Guangzhou 510700;
2. School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510066;
3. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001

Received:2024-01-27 Revised:2024-07-20 Published:2025-02-26

摘要/Abstract

摘要： 索-梁-膜组合的张拉式复合结构，具有收纳比高、质量轻、刚柔耦合等特点，是空间可展天线发展方向之一。为研究索-梁-膜天线复杂柔性结构的非线性动力学特性，考虑预应力因素的影响，对一种新型的索-梁-膜张拉式天线进行非线性动力学特性分析和结构参数优化。基于非线性动力学理论，采用温度-结构预应力导入方法，建立了预应力作用下的天线展开机构非线性动力学模型。在此基础上，分析不同的预应力、材料参数和结构几何参数对天线展开机构动力学特性的影响规律。结果表明，天线固有频率随着预应力、拉索直径、梁截面面积的增大而增大，随着薄膜厚度的增大而减小，并给出了材料参数的优选值。根据敏感度分析结果，基于多目标遗传算法(MOGA)，进行了天线结构参数优化分析。该结果为该构型天线样机研制提供理论和工程应用基础。

关键词: 索-梁-膜结构, 张拉式天线, 非线性动力学, 有限元分析, 结构参数优化

Abstract: The tension structure combined by cable, beam and membrane element, with the characterized of high folding ratio, light weight, rigid-flexible coupling, is one of the development directions of space deployable antenna. To study the nonlinear dynamic characteristics of the cable-beam-membrane complex flexible structure, consider the influence of the pretension, a new type of cable-beam-membrane tension antenna is analyzed for its nonlinear dynamic characteristics and optimized for its structural parameters. Firstly, based on the nonlinear dynamics theory, the nonlinear dynamics model of antenna deployable structure under the influence of pretension is established by adopting the temperature-structure pretension import method. On this basis, the nonlinear influence of pretension, material parameters and structural geometric parameters on the dynamic characteristics of the antenna deployable structure are analyzed. Results show that, the antenna nature frequency increases with the increase of the pretension, the diameter of the cable, and the beam cross-sectional area, and decreases with the increase of the membrane thickness. Finally, according to the sensitivity analysis results, based on the multi objective genetic algorithm, the antenna structure parameter optimization scheme is obtained. This result provides a theoretical and engineering application basis for the development of antenna prototype.

Key words: cable-beam-membrane structure, tension antenna, nonlinear dynamics, finite element analysis, structural parameters optimization

中图分类号:

V474

刘瑞伟, 张碧峰, 范雅婷, 温兆麟, 肖体兵, 郭宏伟. 索-梁-膜张拉式天线展开机构非线性动力学特性及参数优化分析[J]. 机械工程学报, 2025, 61(1): 92-100.

LIU Ruiwei, ZHANG Bifeng, FAN Yating, WEN Zhaolin, XIAO Tibing, GUO Hongwei. Nonlinear Dynamic Characterization and Parameter Optimization Analysis of Cable-beam-membrane Tension Antenna Deployable Structure[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(1): 92-100.

参考文献

[1] 段宝岩. 柔性天线结构分析、优化与精密控制[M]. 北京：科学出版社，2005. DUAN Baoyan. Structural analysis，optimization and precision control of flexible antennas[M]. Beijing：Science Press，2005.
[2] 马小飞，宋燕平. 可展开结构[M]. 北京：国防工业出版社，2016. MA Xiaofei，SONG Yanping. Deployable structures[M]. Beijing：National Defense Industry Press，2016.
[3] 胡飞，宋燕平，郑士昆，等. 空间构架式可展天线研究进展与展望[J]. 宇航学报，2018，39(2)：111-120. HU Fei，SONG Yanping，ZHENG Shikun，et al. Advances and trends in space truss deployable antenna[J]. Journal of Astronautics，2018，39(2)：111-120.
[4] 刘荣强，史创，郭宏伟，等. 空间可展开天线机构研究与展望[J]. 机械工程学报，2020，56(5)：1-12. LIU Rongqiang，SHI Chuang，GUO Hongwei，et al. Review of space deployable antenna mechanisms[J]. Journal of Mechanical Engineering，2020，56(5)：1-12.
[5] 田大可，范小东，郑夕健，等. 空间可展开天线微重力环境模拟研究现状与展望[J]. 机械工程学报，2021，57(3)：11-25. TIAN Dake，FAN Xiaodong，ZHENG Xijian，et al. Research status and prospect of micro-gravity environment simulation for space deployable antenna[J]. Journal of Mechanical Engineering，2021，57(3)：11-25.
[6] 王杰，李东旭，蒋建平，等. 星载大型可展桁架式薄膜结构在轨热分布特性研究[J]. 测绘通报，2014(S1)：9-14. WANG Jie，LI Dongxu，JIANG Jianping，et al. Thermal analysis of large deployable truss support membrane structure on satellite[J]. Surveying and Mapping Bulletin，2014(S1)：9-14.
[7] LIU Z Q，QIU H，LI X，et al. Review of large spacecraft deployable membrane antenna structures[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2017，30(6)：1447- 1459.
[8] HUANG J. The development of inflatable array antennas[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine，2001，43(4)：44-50.
[9] POTVIN M J，MONTMINY S，BRUNEL S，et al. Testing of a deployable SAR membrane antenna mechanical prototype[C]// 49th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures，Structural Dynamics，2008：2208.
[10] MARCO S，CHRISTIAN H，CHRISTINE A，et al. Design and sizing of a 40m² deployable membrane SAR space antenna[J]. Journal of Spacecraft and Rockets，2008，43(6)：1301-1307.
[11] 谢超，严飙，刘钰，等. 大型星载薄膜天线高精度制造技术研究[J]. 载人航天，2018，24(1)：79-83. XIE Chao，YAN Biao，LIU Yu，et al. High precision manufacturing technology for space-based membrane antennas[J]. Manned Spaceflight，2018，24(1)：79-83.
[12] BORSE D R，DIWAN H，GUPTA D，et al. Free vibration analysis of inflatable space structure[J]. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering，2014，11(6)：48-53.
[13] BONFANTI A，BHASKAR A. Elastic stabilization of wrinkles in thin films by auxetic microstructure[J]. Extreme Mechanics Letters，2019，33：100556.
[14] 刘充，李玉宇，保宏，等. 边界几何参数对空间平面张拉膜结构固有频率影响研究[J] 振动与冲击，2015，34(20)：198-202. LIU Chong，LI Yuyu，BAO Hong，et al. Natural frequencies of pre-tensioned membrane structure with different boundary geometrical parameters[J]. Vibration and Shock，2015，34(20)：198-202.
[15] 蔡文. 平面薄膜天线结构动力学特性分析与智能振动控制研究[D]. 长沙：国防科技大学，2022. CAI Wen. Dynamic characteristics analysis of planar membrane structures antenna and research on intelligent vibration control[D]. Changsha：National University of Defense Technology，2022.
[16] 李冰岩. 张拉薄膜结构力学特性分析及三棱柱式薄膜支撑臂设计[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021. LI Bingyan. Mechanical characteristics analysis of tensioned membrane structure and design of triangular prism membrane support mast[D]. Harbin：Harbin Institute of Technology，2021.
[17] LIU X，CAI G，PENG F，et al. Dynamic model and active vibration control of a membrane antenna structure[J]. Journal of Vibration and Control，2018，24(18)：4282- 4296.
[18] ZHANG Q，ZHONG Y，WANG Z，et al. Analytical model and general calculation procedure for wrinkled membrane parameters[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2022，221：107168.
[19] SAKAMOTO H，PARKKC. Advanced cable boundary layer design in membrane structures for dynamic wrinkle reduction[C]// AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures，Structural Dynamics and Materials Conference. Austin，Texas：AIAA，2005：1-12.
[20] 邵琦，陆一凡，史创，等. 空间薄膜结构刚柔耦合非线性动力学分析[J]. 中国空间科学技术，2022，42(1)：47-56. SHAO Qi，LU Yifan，SHI Chuang，et al. Rigid-flexible coupled nonlinear dynamics and analysis of space membrane structure[J]. Chinese Space Science and Technology，2022，42(1)：47-56.
[21] 刘瑞伟，郭宏伟，刘荣强，等. 大口径索肋张拉式折展天线索网结构动力学特性分析[J]. 机械工程学报，2019，55(12)：1-8. LIU Ruiwei，GUO Hongwei，LIU Rongqiang，et al. Dynamic characteristics analysis of cable net for large cable-rib tension deployable antenna[J]. Journal of Mechanical Engineering，2019，55(12)：1-8.
[22] 杨庆山，姜忆南. 张拉索—膜结构分析与设计[M]. 北京：科学出版社，2004. YANG Qingshan，JIANG Yinan. Analysis and design of tensioned cable-membrane structures[M]. Beijing：Science Press，2004.
[23] WANG J，ZHAO H，CHEN L. Effects of the initial deformation on the dynamic response of local nonlinear systems[J]. Journal of Dynamics and Control，2015，13(3)：188-193.
[24] 张华，刘汉武，李东颖，等. 大型空间可展薄膜结构动力学仿真分析[J]. 空间科学学报，2018，38(1)：101-108. ZHANG Hua，LIU Hanwu，LI Dongying，et al. Study of dynamics simulation on large space deployable membrane structures[J]. Journal of Space Science，2018，38(1)：101-108.
[25] 王岩，杨慧，刘荣强. 星载薄膜天线人形杆单侧驱动机构设计与试验研究[J]. 振动与冲击，2022，41(5)：27-32. WANG Yan，YANG Hui，LIU Rongqiang. Design and tests of single-sided driving mechanism for TRAC boom of spaceborne thin film antenna[J]. Vibration and Shock，2022，41(5)：27-32.

索-梁-膜张拉式天线展开机构非线性动力学特性及参数优化分析

Nonlinear Dynamic Characterization and Parameter Optimization Analysis of Cable-beam-membrane Tension Antenna Deployable Structure

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	赵承伟, 张文豪, 龚天诚, 张逸云, 王长涛, 罗先刚. 平面光学元件超平整吸附装载的优化设计与分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(5): 241-248.
[2]	周晓丽, 杜仕忠, 王江超, 赵宏权, 吴磊. 外部拘束控制板架结构焊接失稳变形的研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(24): 142-152.
[3]	田晶, 高崇, 关焦月, 付鹏哲, 刘仕运, 姚玉东. 收口自锁螺母高保真建模方法及松动特性研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(21): 132-143.
[4]	曾少昔, 赵春田, 李红梅. 铁磁材料漏磁信号对拉伸应力的响应研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 68-76.
[5]	赵欣, 黄金杰. 基于RSM-RVEA的FDM增材制造工艺参数优化方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 277-297.
[6]	李怡然, 尧军平, 梁超群, 肖鹏, 陈国鑫, 李步炜. 基于三维微观结构的SiC/AZ91D复合材料单轴拉伸过程中裂纹萌生扩展机制[J]. 机械工程学报, 2024, 60(16): 160-170.
[7]	邓智铭, 黄土地, 黄洪钟, 尉询楷, 王浩. 变工况条件下角接触球轴承疲劳剥落故障演化加速试验载荷谱研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 193-204.
[8]	吕盈盈, 包广清. 高温超导双定子永磁游标电机的优化与特性分析^*[J]. 电气工程学报, 2023, 18(3): 175-183.
[9]	郑雷, 孙晓晗, 吕冬明, 刘子文, 朱卓志, 董香龙, 韦文东. GFRP旋转超声振动套孔加工仿真及工艺研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(23): 391-400.
[10]	喻健, 缑百勇, 陈桂勇, 张腾, 马斌麟, 樊祥洪, 陈鑫, 王逸韬. 胶铆混合修理结构疲劳裂纹扩展性能分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(22): 352-368.
[11]	齐磊, 费嘉文, 温建锋, 涂善东. 拉伸载荷下穿透双裂纹干涉行为与合并准则研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(2): 113-126.
[12]	唐玉玲, 闫福棣, 张峻霞, 周振功, 郭颖, 姜美娇. 碳/碳编织复合材料连接结构的拉脱性能分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(18): 196-206.
[13]	冀寒松, 宋清华, 杜宜聪, 刘战强. Inconel-718微构件晶粒尺度伪随机建模与仿真[J]. 机械工程学报, 2023, 59(17): 232-240.
[14]	周煜, 范志超, 姜恒, 王宇轩. 改进Logistic蠕变应变预测模型及其有限元实现[J]. 机械工程学报, 2023, 59(16): 82-89.
[15]	田国富, 赵瑞祥, 于灏, 王婷. 肌腱的生物力学模型构建与试验分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(10): 96-105.