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

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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 出版日期:2025-01-05 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 Online:2025-01-05 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.

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

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