通信卫星用先进复合材料天线反射器

本文讨论了先进复合材料在RCA公司研制的通信卫星天线反射器上的应用。对各种类型天线反射器系统以及它们的特殊材料和结构要求作了评述。文中对各种类型先进复合材料反射器的力学设计、分析及试验结果作了介绍,可展开、频率复用、网格凯芙拉纤维反射器和大型、可展开、高频率碳纤维反射器有关的特殊问题进行了详细的讨论,并提出了可展开复合材料反射器热变形控制的新方案。     

偏置抛物面卫星天线反射器固化变形分析

偏置抛物面卫星天线反射器由碳纤维预浸料铺制而成,在固化过程中通常会出现热变形、固化收缩变形及机械变形等,且过大的变形会导致反射器反射信号产生偏差。为了有效预测天线反射器在热压罐固化过程中的变形,本文采用线性黏弹性本构模型表征纤维增强复合材料在固化过程中的应力-应变关系。采用顺序热-力耦合分析法,对天线反射器内部温度场、固化度场及位移场的分布进行建模,并对铺层结构及降温速率对天线反射器变形的影响开展研究。结果表明：相较于纯0°铺层结构,正交和准各向同性铺层天线反射器z向变形量减小了51%以上,且降低降温速率有助于提高天线反射器的固化型面变形。     

格栅反射器型面的主动控制

为了提高天线反射器的型面精度,以锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）驱动的主控格栅反射器为研究对象,对该结构的力学建模方法和形状控制方法进行了研究。首先,建立了格栅反射器、PZT压电作动器一体化有限元模型。然后,采用影响系数矩阵法,以均方根误差最小为目标建立反射器型面主动控制优化模型,并通过最小二乘法求解作动器的最优控制律。最后,搭建了格栅反射器主动控制实验系统,以旋转抛物面为目标型面进行实验研究。实验结果表明,经主动控制后反射器型面精度提高了将近50%,且与仿真结果吻合较好,验证了一体化有限元建模方法的准确性和控制方法的有效性。     

机载拖曳体动力学建模及分析

在某些航空应用场景,需要通过飞行器拖曳功能性部件完成特定性任务,例如机载拖曳对潜通信天线等,在这些应用中,通过建立科学的模型和方法,准确地分析稳态、动态特性是保证拖曳体正常工作的前提条件。本文以对潜通信天线为例,建立考虑天线气动力、惯性力以及弹性力的多体动力学的机载天线动力学模型,并对该模型的稳态结果进行算例验证;对考虑载机非定常运动以及突风作用等扰动后的天线系统动态响应进行分析,并对天线断裂等极端情况进行评估。结果表明：本文所建立的模型在垂直度、天线张力等方面的分析结果较好,能够应用于航空拖曳体的稳态及动态特性分析,在对潜通信天线、加油管等系统的设计方面有一定的工程价值。     

用于非线性有源天线的耦合锁相环特性分析

为实现非线性有源天线阵波束扫描,研究了互耦锁相环(PLL)的基本特性。通过对互耦PLL的相位动力学方程的稳定性进行分析,建立了具有延时的阵列模型;通过调节环路延时,互耦PLL不同的非线性动力学特性;采用四单元的耦合锁相环阵列实验电路对理论分析进行了验证,从而提出了在设计基于耦合锁相环的非线性有源天线时,必须对环路延时进行控制,防止环路出现振荡和混沌现象。     

机载拖曳天线动力学建模与仿真

拖曳天线在空中的构型及垂直度是检验天线能否正常发射甚低频信号的主要依据,是设计人员必须着重考虑的因素.通过对其运动状态及其受力进行分析,建立机载甚低频拖曳天线动力学模型.针对其稳态动力学模型,运用Newton-Raphson迭代进行求解,计算出了天线垂直构型和天线的张力分布情况.通过与AD报告计算结果进行比较,证明所建立的动力学模型是可信的.最后分析了空气系数和天线末端质量对天线垂直构型和天线张力分布的影响.     

天线反射器复合材料轻量化研究

采用树脂基复合材料代替铝合金材料研制反射器满足天线反射器减重要求,并建立反射器3D模型,通过有限元软件分别对铝合金以及复合材料反射器的模态进行分析。结果表明:在保持相同体积的条件下,复合材料反射器基频比铝合金反射器高出35.23%,减轻41.2%;为了保证星载反射器在服役环境中的精度,对两种材料反射器在-180~+80℃的热变形进行仿真。结果显示:采用[0/45/-45/90]2S铺层设计的反射器热变形量比铝合金反射器低94.25%;采用模压工艺研制的复合材料反射器型面精度为0.027 mm,满足使用要求,并且在服役环境下,复合材料型面精度稳定性优于铝合金反射器。     

微带电路和天线的时域仿真

介绍了运用FDTD设计和分析微带电路和天线的基础理论,分析了误差产生的原因。利用FDTD法分别对微带传输线、矩形微带贴片天线和微带分支耦合器进行了仿真和特性分析。     

宽带大功率超短波射频通道测试系统设计

文章根据机载超短波射频通道的性能检测需求,设计了一个射频通道测试系统,可通过无线方式来实现对射频功率等参数的检测。首先,设计了小型化宽带检测天线,利用有限元法计算出其输入阻抗后,利用"化场为路"的方法,并结合微波网络理论、电路理论计算了其传输特性;然后,采用全波分析和微波理论相结合的混合法计算了空间衰减;最后,将空间衰减和检测天线传输特性相结合,分析了射频通道的功率传输特性。在没有对实验系统进行校准的情况下,实测结果与理论结果依然达到了较高的吻合度,表明使用该测试系统可以在宽频带、大功率情况下方便、可靠地实现对射频通道的性能检测。     

充气展开反射面天线动态特性试验研究

充气展开反射面天线的结构动力学参数,可用于预测天线在外界激励下的动态响应、调整空中姿态和振动主动控制等。采用试验模态方法对反射面天线进行试验研究,分析了充气展开后反射面天线在地面环境下的动态特性参数。通过增大力锤锤头面积和提高激励点局部刚度来激发柔性天线结构全局振动,分组移动和对称分布加速度传感器来减小测试系统的附加质量影响。结果表明:天线在充气环内压力15 kPa时的整体弯曲振动基频为2.86 Hz,同时获得天线整体振动的前三阶固有频率、模态阻尼比和模态振型等参数,测试结果可为有限元模型验证和在轨动态响应预报提供基础。     

激光增材制造高强高韧TC11钛合金力学性能及航空主承力结构应用分析

随着损伤容限设计理念发展和轻量化要求提高,高强高韧钛合金逐渐成为航空装备关键主承力构件主要结构材料。激光增材制造制备钛合金大型主承力构件具有数字化、短周期、低成本等技术优势,特别是激光增材制造过程超常固态相变动力学条件为制备高强高韧钛合金提供了新的机会。本文根据航空主承力结构选材性能要求,对激光增材制造TC11钛合金静强度、疲劳和损伤容限特性进行测试与分析,在此基础上对其在航空主承力结构的应用前景进行分析。结果表明,激光增材制造TC11钛合金力学性能具有显著的高强高韧和低屈强比特征,其疲劳缺口敏感性和裂纹扩展速率低,性能分散性小,综合性能满足航空主承力结构选材要求。与目前航空主承力结构广泛应用的TC4-DT损伤容限型钛合金相比,激光增材制造TC11高强高韧钛合金损伤容限特性相当、疲劳性能有所改善、许用应力提高23%,结构具有进一步减重优势。激光增材制造TC11钛合金优异的强韧性匹配在提高结构许用应力的同时可避免大厚度结构发生脆性断裂,其低疲劳缺口敏感性和优异的疲劳裂纹扩展特性对于结构服役安全具有重要意义。     

球柔性旋翼的动力学特性设计与试验评估

本文介绍了球柔性旋翼的动力学设计思想与设计程序、动力学特性设计要求、设计分析、旋翼塔试验与相关性分析和飞行试验评估和改进设计,通过上述的设计与试验评估,球柔性旋翼的动力学特性满足了技术要求,实现了动力学特性的合理配置。     

周边桁架可展天线展开过程动力学分析及控制

 基于多刚体系统动力学的Lagrange方法,采用独立的Lagrange广义坐标,考虑耗散力、铰链处扭簧的驱动力及索网预张力对展开过程的影响,建立了周边桁架可展天线展开过程的动力学模型,给出了基于力控制的展开过程控制策略,得出了展开过程驱动力的变化与天线位形变化之间的关系,根据所规划好的天线展开运动得出相应的驱动力。编制了仿真程序进行算例分析,研究了初速度、阻尼及重力对天线展开过程的影响,实现了考虑驱动扭簧的刚度、关节中的阻尼、重力及索网预张力影响的周边桁架可展天线展开过程的动力学分析与控制。实验仿真结果验证了该方法的有效性。     

大型风力机三维空气动力学数值模拟

采用数值模拟的方法,对三种风力机叶片的空气动力学性能进行研究.计算得到了旋转功率随着来流速度的变化曲线,并将所得结果与基于动量叶素理论的工程设计方法结果、风洞实验结果和风场实测结果进行对比.计算结果体现了CFD方法解决这种问题的有效性.所用的数值模拟方法可以广泛地应用到风力机设计和气动性能评价中,所得结果可作为叶片动态特性及气弹稳定性分析的载荷而被应用于风力机性能和可靠性的评估当中.     

卫星移动通信多频段终端天线的发展

在卫星通信领域,多频段共用是扩大通信容量,实现一站多用,从而降低通信终端成本的有效途径之一。多频段共用终端天线是目前研究热点,其关键是多频段共用馈源。介绍的国外最新开发的多频相控阵、多频反射器和低剖面偏置双反射器天线,都可实现多频段同时工作,满足高频率要求,适合用于新型卫星移动通信终端。     

基于疲劳寿命的复合材料舱体分级优化分析

为构建三维应力状态复材结构疲劳寿命模型,提出由刚性元和弹簧元来模拟层间作用,结合二维板元构建三维有限元模型。借助典型应力比下的疲劳试验结果和损伤模型,结合等寿命曲线转化理论,发展一种任意应力比下的疲劳寿命分析方法。引入复合累积损伤建立多轴循环应力下的疲劳寿命模型。借助应力分析、静强度和疲劳累积损伤失效分析及材料性能退化模型,模拟面内和层间损伤产生、发展直至整体破坏过程,得到疲劳寿命。通过层合板疲劳寿命预测值和试验结果对比,验证所建模型的正确性。考虑设计变量空间复杂性,采用二级优化方法:系统级布局优化和子系统级尺寸优化。采用自适应遗传算法,以质量最小为目标函数,以疲劳寿命要求为约束条件,对复材舱体进行优化。建立基于多轴应力疲劳寿命的复材结构优化框架,为复材结构优化设计提供参考。      

机翼摇晃预测与抑制

将分支分析与突变理论方法(BACTM)和模糊逻辑控制(FLC)方法相结合,形成BACTM-FLC方法,实现飞机大迎角下的动力学特性分析和模糊控制律设计一体化。在对某大后掠角三角翼的非线性动力学特性进行预测分析的基础上,设计了模糊控制器抑制机翼摇晃,用BACTM对该模糊控制器的控制效能进行评估分析,并对BACTM的预测与评估结果进行了仿真验证。结果表明,BACTM-FLC方法可以全局性地预测和分析飞机的大迎角非线性动态特性,并对其进行有效控制。     

基于故障物理的电路板可靠性分析

在装备生命周期的各阶段,其承受的环境载荷都可能对装备造成累积损伤,进而引发故障。从装备设计特性和寿命期环境应力分布及其相互作用角度来分析装备的故障更符合其未来实际使用情况。介绍了电路板常用的故障物理模型,阐述了基于故障物理的电路板可靠性分析流程,明确了潜在故障仿真思路,为装备早期可靠性设计、测试性设计与评价提供了方法依据。     

中继卫星系统动力学分析

应用单摆模型来等效液体晃动，并利用拉格朗日方程建立了中继卫星的动力学方程。在确定天线跟踪规律的基础上，从工程实际的角度分析了天线和星体之间的耦合作用。考虑天线不同的跟踪模式，将卫星的本体视为刚性体，在星体无控情况下进行系统的动力学响应分析。通过数值仿真确定天线在不同跟踪模式下对星体姿态的影响，并通过有无柔性振动和液体晃动结果的分析，得出天线运动特别是高速回扫、附件柔性振动都会对星体姿态产生比较大的影响，而液体晃动对星体姿态影响不大的结论。     

石墨的非线性变形模型及NDG石墨的某些常数

再入飞行器石墨头锥的设计必须进行精确的应力分析。应力分析的基础是准确地表征材料的特性。本文简要地介绍Jones-Nelson模型及其实用价值,说明这种非线性模型比线性模型更为准确。并介绍一种实验石墨(NDG)的应力-应变行为及非线性方程常数,据此,讨论了破坏准则的选择