[发明专利]一种可展开偏置抛物面天线索网结构的初始形态设计方法

摘要

本发明公开了一种可展开偏置抛物面天线索网结构的初始形态设计方法。该方法将索网结构初始形态的设计分为前索网设计和后索网设计两部分，设计前索网时，前索网节点坐标和索力共同作为设计变量，在满足所有边界节点固定、所有内部节点都在理想抛物面上、所有内部节点都处于力平衡状态、内部节点能够完全覆盖有效光学口径的条件下，实现前索网所有内部索段的张力都相等，而且边界索与内部索段的最大张力比取得最小值的目标；设计后索网时，在调整索一直保持竖直，而且满足天线总高度、前索网高度和调整索最小索长的条件下，实现后索网与前索网张力水平之比的最小化；最终得到前后索网的节点坐标和索力，完成初始形态设计。

主权项

一种可展开偏置抛物面天线索网结构的初始形态设计方法，其特征是：至少包括如下步骤：步骤101：根据天线前索网的几何参数，确定天线的物理口径D、天线的光学口径Da、天线的有效光学口径De、前索网焦距f、前索网偏置距离pd，并确定出前索网的高度Hfront；步骤102：根据偏置抛物面的切割方式、圆形的物理口径、等高的索网周边支撑结构，得到前索网的初始形状；步骤103：对前索网进行初始网格划分，划分为辐射状网格、三向网格或者准测地线网格形式，将其作为前索网形态设计的初始构型，并将对应的节点坐标信息和索段连接关系信息整理成固定格式的数据文件；步骤104：根据步骤102中前索网生成方式，步骤102所得到的前索网在天线的局部坐标系中边界节点是不等高的，将所有的边界节点沿天线局部坐标系的z向都平移至边界节点最高的位置，使得边界索都挂在对应的周边桁架接头上，并更新步骤103中所整理的数据文件；步骤105：采用优化的策略，将前索网节点的坐标和索段张力(Fin,Fb1,…FbM)T都作为设计变量，在满足所有内部节点都在理想抛物面上，而且内部节点能够完全覆盖有效光学口径的条件下，实现前索网所有内部索段的张力都相等，而且边界索与内部索段的最大张力比取得最小值；步骤106：通过步骤101～步骤105可以得到前索网的节点坐标前索网索力Ffront，以及竖向调整索张力Fz；步骤107：设计后索网时，要求调整索保持竖直，应满足：后索网节点的x,y坐标必须与前索网对应相同，后索网张力的水平分量与前索网张力水平分量成倍数关系，即满足如下条件(xrearT,yrearT)T=(xfrontT,yfrontT)T;Frearxy=αFfrontxy;]]>式中，α为后索网与前索网张力的水平分量之比，体现了后索网与前索网张力水平之比，且α＞1；分别表示前后索网张力的水平分量；步骤108：采用优化的策略，将α作为设计变量，在满足天线总高度、前索网高度和调整索最小索长的条件下，实现后索网与前索网张力水平之比α的最小化；并求出后索网节点的z坐标和后索网索段的张力；所述的步骤105，包括如下步骤：步骤701：确定设计变量；前索网节点坐标和索力都最为设计变量，节点坐标变量为其中，N表示前索网的节点数目；将索力变量归并为(Fin,Fb1,…FbM)T，其中，M为归并后的索力变量数目；索力变量归并的原则：所有内部索单元的张力都相等，用变量Fin表示；挂在同一个桁架接头上的边界索的张力相等，若接头的数目为Nt，根据偏置抛物面的对称性，将边界索力归并为类，即步骤702：确定目标函数；优化目标为实现前网面的最大张力比γmax＝Tmax/Tmin取得最小值；Tmax、Tmin分别表示前网面的最大索力和最小索力；步骤703：确定约束条件，需要满足的约束条件如下：1)前索网内部节点满足x、y方向的受力平衡方程，即满足CTQCCTQCxy=00]]>式中，其中ni∈NODin，Nin为前索网内部节点的节点数目；C为结构拓扑矩阵，Q为索段力密度组成的对角矩阵；2)前索网边界节点位置固定不变，即满足(xbi,ybi,zbi)T＝const式中，bi∈NODb；3)前索网内部节点都在理想抛物面上，即满足Zni-Xni2+Yni24f=0]]>式中，ni∈NODin，Xni、Yni、Zni分别为节点ni在全局坐标系下的坐标值；4)内部节点能够完全覆盖有效光学口径，有效口径内满足原理误差要求；(Xfi-pd)2+Yfi2≥14De2]]>式中，fi∈NODef，Xfi、Yfi、Zfi分别为节点fi在全局坐标系下的坐标值；步骤704：建立优化模型，综合步骤701～步骤703，优化模型如下Find(x1,...,xi,...,xN,y1,...,yi,...,yN,z1,...,zi,...,zN,Fin,Fb1,...,Fbj,...,FbM)T,i=1~NMinγmax=Tmax/TminS.t.CTQCCTQCxy=00(I)Zni-Xni2+Yni24f=0,ni∈NODin(II)(xbi,ybi,zbi)T=0,ni∈NODin(III)(Xfi-pd)2+Yfi2≥14De2,fi∈NODef(IV)]]>步骤705：迭代求解优化模型，给定一组前索网张力值(Fin,Fb1,…FbM)T，通过基于力密度思想的迭代方法求出满足约束(I)、(II)和(III)的前索网的节点坐标并可得到对应的最大张力比；再根据优化策略，不断地改变张力值(Fin,Fb1,…FbM)T迭代求解，在满足约束(IV)的条件下实现最大张力比取得最小值为止。