随着空间技术的进步,高分辨率观测要求的提出,对星载天线的精度要求越来越高,星载天线热稳定性的精度均方根值RMS需达到微米级别的超高精度要求。本文探究何种结构形式的星载天线热稳定性最好。
利用Abaqus计算出星载天线在不同温度荷载下热变形,然后用Matlab基于最小二乘法计算均方根值RMS。改变星载天线格栅夹层的结构形式,找到最优的结构,最后对最优的星载天线做参数优化,使得星载天线热稳定性最好。
①蒙皮和格栅除了可以采用单层板铺层的有限元建模方式外,还提出了一种新的有限元建模方式——层合板等效,可以大大降低有限元网格和节点数目。在三种温度荷载下,对两种有限元建模方式的数值结果进行比较,发现误差在8.2%到20.7%之间,表明层合板等效有限元建模方式的可行性;②对正方形格栅反射面芯子做拓扑优化,以RMS为指标,与蜂窝芯子、三角形格栅芯子和圆管芯子反射面进行比较,确定了正方形格栅反射面芯子为最优的结构形式;③研究了格栅单胞外边长、蒙皮的铺层方式、格栅的铺层方式和胶层厚度对RMS的影响程度,发现格栅铺层方式对RMS的影响要大于蒙皮铺层方式,并选出最优的结构形式,反射面在最优的结构形式下温升80℃时RMS仅为;④将设计参数赋值符合为正态分布的概率函数,最后得到RMS的概率密度分布近似为正态分布,找到了影响RMS的关键指标参数,碳纤维复合材料和胶层的热膨胀系数对RMS的影响较大。因此在设计和制造反射面时优选热膨胀系数较低的材料。
在所有的结构形式中,正方形格栅是最优的,而且正方形格栅单胞大小会影响RMS。在最后的参数优化中,改变蒙皮和正方形格栅的铺层方式也可以降低RMS。通过对星载天线进行置信度分析,得到的结果说明选用低热膨胀系数的材料是最好的,可以大大降低星载天线的热变形。
碳纤维复合材料(CFRP)具有高强度、低密度和低热膨胀系数的优点,因此作为设计反射面的理想材料。但由于在对CFRP反射面的有限元计算时采用的是单层板铺层的建模方式,这种方式在赋予材料属性时过于繁琐,且划分的网格数过多,影响了计算效率,阻碍了CFRP在星载天线反射面领域的实际应用,本文为解决这一问题提出了层合板等效理论。
本文分别计算出CFRP板在单层板铺层方式下和层合板等效方式下的应变能,根据这两者应变能相等算出层合板的等效弹性模量。把两层CFRP单层板一层当作增强体,一层当作基体,沿着纤维和垂直纤维方向上,增强体和基体看成并联;高度方向上,增强体和基体看成串联,按照变形协调原则算出层合板三个方向上的等效热膨胀系数。采用层合板等效方式克服了上述问题,在面内温度0-100℃荷载下,对两种有限元建模方式的数值结果进行比较,发现RMS误差仅为8.2%。因此,层合板等效方式也是一种有效的有限元建模方式。
反射面面内0-100℃温度荷载时z向位移:(a)单层板铺层方式z向位移;(b)层合板等效方式z向位移
Z-displacement under 0-100℃ temperature load in the reflection plane: (a) Z-displacement of single-layer paving mode; (b) Equivalent mode Z-displacement of laminates
为控制星载天线反射面的热变形,本文以一口径为
为控制星载天线反射面的热变形,本文以一口径为