卫星周边桁架式天线的动力学分析与结构参数设计

    0 引言

    空间可展开桁架结构能为太阳能电池阵列、合成孔径雷达、大型星载天线等卫星部件提供支撑，具有质量轻、阻尼小、柔性大、间隙多的特点。在太空零重力、交变热载荷的环境下，受到来自于航天器调姿、空间碎片冲击等激励的影响，桁架结构易出现大幅度、低频率、长时间的振动，又由于其自身的低阻尼特性，激起的振动难以自行衰减，从而会导致桁架结构本身的故障和失效，以及所承载的功能部件的工作精度降低甚至任务失败。由于桁架结构固有频率低，采用被动阻尼减振的方法难以有效发挥作用，而振动主动控制是最为有效的途径。振动主动控制设计必须以桁架结构的动力学特性分析为基础。

    桁架结构的动力学特性分析主要包括模态分析和瞬态响应分析，确定结构的摸态分布及响应贡献量大小。本文在模态试验数值模型验证的基础上，重点针对桁架结构参数进行研究，确定其对结构固有频率的影响，并提出改善结构模态分布的方法，最后通过冲击响应分析确定结构的控制方向，为振动主动控制设计提供基础。

    1 卫星周边桁架式天线结构

    按照前三阶振型相同、支撑方式相同的等效原则对某型号卫星天线设计了缩比结构。

    图1 桁架结构

    图2 桁架结构局部细节

    该桁架结构模拟在轨展开锁定状态，各个桁架构件间的连接铰链已经锁死，故将试验桁架结构设计成固定连接方式。为了消除重力的影响，将环形桁架结构通过弹性绳拉向中心并进行悬挂。桁架结构具体参数如表l所示。整个桁架结构由具有相同截面的空心钢杆组成。内半径ri=0.004m，外半径0.005m，伸展臂横截面为相同形状的圆环形，材料参数如表2。

    2 桁架结构有限元建模与模态分析

    2.1 桁架结构有限元建模

    对上述桁架结构进行ANSYS有限元建模，采用空间梁单元和杆单元，杆件连接处等效为集中质量单元，模型如图3所示。

    该模型共有62个节点，123个单元，均为一个杆对应一个单元。由于斜支撑杆为关键的作动单元，因此将其划分为长度一致的10个单元。采用集中质量单元模拟桁架结构杆件间的连接件。如图3所示，伸展臂与星体相连端约束所有自由度。通过模态分析得到桁架结构的前10阶模态固有频率如表3所示。前三阶模态振型如图4所示。