大口径索肋张拉式折展天线索网结构动力学特性分析

doi:10.3901/JME.2019.12.001

机械工程学报 ›› 2019, Vol. 55 ›› Issue (12): 1-8.doi: 10.3901/JME.2019.12.001

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大口径索肋张拉式折展天线索网结构动力学特性分析

刘瑞伟^1,2, 郭宏伟^1,2, 刘荣强^1,2, 唐德威^1,2, 王洪祥², 邓宗全^1,2

1. 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;
2. 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨 150001

收稿日期:2018-06-05 修回日期:2018-12-15 出版日期:2019-06-20 发布日期:2019-06-20
通讯作者: 郭宏伟(通信作者),男,1980年出生,博士,副教授,博士研究生导师。主要研究方向为空间折展机构与控制,可变构型结构与机构。E-mail:guohw@hit.edu.cn
作者简介:刘瑞伟,男,1991年出生,博士研究生。主要研究方向为空间可折展天线力学特性。E-mail:liuruiwei8124@163.com;刘荣强,男,1965年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为空间大型可展开机构与控制。E-mail:liurq@hit.edu.cn;唐德威,男,1966年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为机器人技术,特种机器人。E-mail:dwtang@hit.edu.cn;王洪祥,男,1967年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为超精密加工及检测技术。E-mail:whx@hit.edu.cn;邓宗全,男,1956年出生,中国工程院院士,博士研究生导师。主要研究方向为宇航空间机构及控制,特种机器人。E-mail:dengzq@hit.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金（51575119，51675114，U1637207）和“111”创新引智计划（B07018）资助项目

Dynamic Characteristics Analysis of Cable Net for Large Cable-rib Tension Deployable Antenna

LIU Ruiwei^1,2, GUO Hongwei^1,2, LIU Rongqiang^1,2, TANG Dewei^1,2, WANG Hongxiang², DENG Zongquan^1,2

1. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001;
2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001

Received:2018-06-05 Revised:2018-12-15 Online:2019-06-20 Published:2019-06-20

摘要/Abstract

摘要： 索网结构是空间可展开网面天线的关键组成部分。为了更好地研究索网结构的动力学特性，首先介绍大口径索肋张拉式折展天线的系统组成。基于索网结构的节点分布规律，通过节点坐标矩阵和构件连接矩阵，建立该折展天线索网结构的参数化数学模型。在此基础上，针对索网结构的几何非线性特征，采用非线性有限元法推导索网结构的整体切线刚度矩阵及质量矩阵，建立索网结构的非线性动力学模型。并通过特征值分解，得到索网结构的前六阶固有频率和振型。该方法适用于任意预应力索网结构和索-杆结构的非线性建模和求解。此外，基于动力学模型，分析结构参数对索网结构刚度的影响规律，计算各参数的频率敏感度，得出提高索网结构刚度的有效方法。

关键词: 折展天线, 索网结构, 非线性动力学, 模态分析, 敏感性分析

Abstract: The cable net is an important component of the space deployable mesh antennas. To study the dynamic characteristics of the cable net, the system composition of a large cable-rib tension deployable antenna is firstly introduced. Based on the node distribution law of cable net structure, a parametric mathematic model of cable net for a large cable-rib tension deployable antenna is established by the node coordinate matrix and the component connection matrix. On the basis of this, due to the strong nonlinear characteristics of the cable net, the nonlinear finite element method is used to obtain the overall tangent stiffness matrix and mass matrix of the cable net. The dynamic model of cable net is established by assembling these matrices, then the natural frequency and mode shape of the cable net are obtained through eigenvalue decomposition. This method is suitable for nonlinear modeling and solving of prestressed cable nets and cable-strut structures. Moreover, the effect of structural parameters on the stiffness of the cable net is analyzed, the sensitivities of the natural frequencies to each parameter is calculated, and an effective method to improve the stiffness of the cable net is obtained.

Key words: deployable antenna, cable net, nonlinear dynamics, modal analysis, sensitivity analysis

中图分类号:

V474

刘瑞伟, 郭宏伟, 刘荣强, 唐德威, 王洪祥, 邓宗全. 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, TANG Dewei, WANG Hongxiang, DENG Zongquan. Dynamic Characteristics Analysis of Cable Net for Large Cable-rib Tension Deployable Antenna[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(12): 1-8.

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大口径索肋张拉式折展天线索网结构动力学特性分析

Dynamic Characteristics Analysis of Cable Net for Large Cable-rib Tension Deployable Antenna

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