專利名稱：柔性天線結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提高天線柔索支撐結(jié)構(gòu)剛度的技術(shù)。
背景技術(shù)：
針對(duì)世界上最大的305米口徑超大型天線的不足，目前我國(guó)科學(xué)家提出了相應(yīng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，采用并聯(lián)的六根柔索3索引饋源艙1進(jìn)行大范圍的空間運(yùn)動(dòng)。這一方案的優(yōu)點(diǎn)已在相關(guān)文獻(xiàn)中作了充分的討論，也得到了國(guó)內(nèi)外同行專家的廣泛關(guān)注與濃厚興趣。但是，該方案存在的最大問(wèn)題是繞饋源艙本身對(duì)稱軸扭轉(zhuǎn)剛度較低。因此，如何有效提高柔索支撐結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度就成為能否將其付諸工程實(shí)施的關(guān)鍵問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述背景中存在的問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)一種提高超大型天線柔索支撐結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度。以此為超大型天線柔索支撐結(jié)構(gòu)的工程實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案由六根柔索3支撐一半球型的饋源艙1，因柔索3只能承受拉力而不能承受壓力，理論上無(wú)法唯一確定饋源艙1的位置與姿態(tài)。雖然饋源艙1本身具有一定的自重，相當(dāng)于有一向下的力作用在艙上，這樣，在六個(gè)柔索3張力與重力作用下，當(dāng)饋源艙1在所限定的工作空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，還是可以唯一確定饋源艙1位姿的。但該柔索3支撐結(jié)構(gòu)屬于欠約束機(jī)構(gòu)，因此繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度約束依靠六索牽引顯然是不足的，但繞x，y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度約束是充分的，因此可以用九索構(gòu)型增加繞z軸方向的扭轉(zhuǎn)剛度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案柔性天線結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)技術(shù)，在柔索塔2分布圓上均勻分布六個(gè)柔索塔2，每個(gè)柔索塔2下面固定一個(gè)過(guò)渡變向輪和驅(qū)動(dòng)器，各驅(qū)動(dòng)器的輸入端連接柔索3，各柔索3通過(guò)各自的過(guò)渡變向滑輪和各自的柔索塔2上端的滑輪組共同連接到被控運(yùn)動(dòng)目標(biāo)饋源艙1上，饋源艙1位于反射面4的焦點(diǎn)處，其特征是在饋源艙1圓周外邊緣有下拉索6，下拉索6另一端經(jīng)過(guò)反射面4圓周上的滑輪連接吊重5。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案還包括所述的柔性天線結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)技術(shù)，其特征是在饋源艙1圓周外邊緣均布連接有下拉索6。
所述的柔性天線結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)技術(shù)，其特征是在饋源艙1圓周外邊緣交叉連接有下拉索6。
所述的柔性天線結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)技術(shù)，其特征是在饋源艙1圓周外邊緣分散連接有下拉索6。
所述的柔性天線結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)技術(shù)，其特征是饋源艙1圓周外邊緣連接的下拉索6有三個(gè)至六個(gè)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果1、與六索結(jié)構(gòu)相比，增加穩(wěn)定下拉索的九索結(jié)構(gòu)明顯提高了系統(tǒng)的剛度，結(jié)構(gòu)的固有頻率有了明顯的改變。
2、絕大部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)能量被三根穩(wěn)定下拉索及其吊重吸收了，從而使艙的振幅得到了顯著的控制。同時(shí)，相對(duì)較高階(如20Hz)的艙的振動(dòng)也得到了明顯的抑制。
3、增加穩(wěn)定索后的創(chuàng)新方案，簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于工程實(shí)現(xiàn)，且可滿足精度要求。因此，本方案可應(yīng)用于直徑在30至800米范圍內(nèi)，特別是500m以上超大型天線的實(shí)際工程中。
4、單就穩(wěn)定索方案而言，它簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，故對(duì)其它工程也具有較大的參考價(jià)值。
5、對(duì)如何增加關(guān)于饋源艙自轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)剛度問(wèn)題進(jìn)行了較系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出了增加穩(wěn)定索的方案，物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性和工程的可行性。
四
圖1是具有穩(wěn)定下拉索的超大型柔索支撐結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是六索與六索加穩(wěn)定索的Y坐標(biāo)振動(dòng)情況，圖3是風(fēng)荷載作用下六索與六索加穩(wěn)定索的X坐標(biāo)振動(dòng)情況，圖4是優(yōu)選配重的艙體扭轉(zhuǎn)剛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖5是艙體的三個(gè)軸的扭轉(zhuǎn)剛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
上述各圖的標(biāo)號(hào)說(shuō)明1——饋源艙1，2——柔索塔，3——柔索，4——反射面，5——吊重，6——下拉索。
五具體實(shí)施例方式
參看圖1，在柔索塔2分布圓上均勻分布六個(gè)柔索塔2，每個(gè)柔索塔2下面固定一個(gè)過(guò)渡變向輪和驅(qū)動(dòng)器，各驅(qū)動(dòng)器的輸入工作狀態(tài)均由控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，各驅(qū)動(dòng)器的輸出是各自控制的柔索3，各柔索3通過(guò)各自的過(guò)渡變向滑輪和各自的柔索塔2上端的滑輪組共同連接到被控運(yùn)動(dòng)目標(biāo)饋源艙1上。本發(fā)明特點(diǎn)是在饋源艙1圓周外邊緣均布三個(gè)下拉索6，下拉索6另一端經(jīng)過(guò)反射面4圓周上的滑輪連接吊重5。也就是說(shuō)在原六索3結(jié)構(gòu)中引入三根穩(wěn)定下拉索6，各穩(wěn)定下拉索6也均通過(guò)各自的過(guò)渡變向滑輪共同連接到饋源艙1上，穩(wěn)定下拉索6的下端懸掛配重-吊重5。懸掛吊重5的質(zhì)量通過(guò)超大型天線柔索支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算確定，具體重量與系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)。
從柔索支撐結(jié)構(gòu)的幾何分析可知，三根穩(wěn)定下拉索與饋源艙體的連接方式對(duì)提高結(jié)構(gòu)的性能有很大的影響。通過(guò)理論分析與物理實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了這一結(jié)論。因此，三根穩(wěn)定下拉索采用交叉分散的方式與艙體連接。
為了增加系統(tǒng)剛度，特別是增加饋源艙1的扭轉(zhuǎn)剛度，提出增加三根下拉索6的措施。若將饋源艙1視為剛體，則饋源艙1有六個(gè)自由度。饋源艙1的位置和姿態(tài)可用六個(gè)量表示艙體坐標(biāo)系O1X1Y1Z1的原點(diǎn)坐標(biāo)O′(xo1，yo1，zo1)，Z軸與Z1軸的夾角γ，鉛垂面OXZ與鉛垂面O1Y1Z1的夾角α，艙體繞自身對(duì)稱軸Z1的轉(zhuǎn)角θ，如圖1所示。
對(duì)圖1所示結(jié)構(gòu)作試驗(yàn)，設(shè)沿X方向作用有平均風(fēng)速為17m/s的隨機(jī)風(fēng)，饋源艙1靜止于某一典型點(diǎn)。穩(wěn)定下拉索7的吊重6均為1.5噸，上、下索3和6橫截面積分別為15cm2與2cm2，經(jīng)過(guò)動(dòng)力分析，可知此時(shí)柔索3與艙體1的連接點(diǎn)B4的位移響應(yīng)最大。在同一風(fēng)荷樣本下，分別得到了六索結(jié)構(gòu)與九索結(jié)構(gòu)的位移時(shí)程曲線以及三個(gè)吊重5的位移時(shí)程曲線，通過(guò)分析，得到如下結(jié)果(1)沿X，Y及Z三個(gè)坐標(biāo)方向，六索與九索結(jié)構(gòu)B4點(diǎn)位移響應(yīng)的均值之比|μ6/μ9|分別為243.41，6.87及5.46。
(2)絕大部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)能量被三根穩(wěn)定下拉索6及其吊重5吸收了，從而使艙的振幅得到了顯著的控制。同時(shí)，相對(duì)較高階(如20Hz)的艙的振動(dòng)也得到了明顯的抑制。
(3)與六索結(jié)構(gòu)相比，增加穩(wěn)定下拉索6的九索結(jié)構(gòu)明顯提高了系統(tǒng)的剛度。結(jié)構(gòu)的固有頻率有了明顯的改變，下面給出了兩種結(jié)構(gòu)前五階的固有頻率對(duì)照情況。
表1 結(jié)構(gòu)固有頻率(Hz)
物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析上面從理論上與數(shù)值試驗(yàn)上說(shuō)明了增加穩(wěn)定索對(duì)提高系統(tǒng)剛度的作用，本節(jié)將通過(guò)縮比實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明其有效性。
參見(jiàn)圖1和圖2，將艙穩(wěn)定在位置(0，0，110)cm處，沿艙的切向拉一細(xì)繩，在其自由端施加1.5kg的力，而后突然將繩剪斷，三臺(tái)激光全站儀記錄下艙體的振動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)，三根穩(wěn)定索自由端各加0.3kg的配重，艙的自重為6kg。圖2描述了六索(虛線)與六索加穩(wěn)定索(三角符號(hào)線)時(shí)饋源艙1中心的Y坐標(biāo)振動(dòng)情況，可見(jiàn)，施加穩(wěn)定索可明顯增加系統(tǒng)剛度，振蕩時(shí)間縮短了近8倍時(shí)程、振幅可在4秒內(nèi)降為6索的1/5。
參見(jiàn)圖3，以上實(shí)驗(yàn)是靜態(tài)的，大家可能懷疑其動(dòng)態(tài)是否還有效，為此，下面讓艙沿一定軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，在旁邊加一5kw的鼓風(fēng)機(jī)，以在饋源艙處產(chǎn)生17m/s的風(fēng)速，看看結(jié)果如何？先施加50秒的17m/s的風(fēng)荷載于艙索，在50秒時(shí)將鼓風(fēng)機(jī)電源切斷，而激光全站儀從一開(kāi)始就記錄下艙的振動(dòng)情況，鼓風(fēng)機(jī)關(guān)機(jī)后，仍然接著記錄50秒。圖3給出了6索(虛線)與6索加穩(wěn)定索(星號(hào)線)的效果對(duì)比情況。顯然，動(dòng)剛度的增加也是非常明顯的。
參見(jiàn)圖4和圖5，圖4為關(guān)于艙自轉(zhuǎn)軸Z1的扭矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系，圖4中示出了四條曲線。最右邊一條為純六索情況，從右2至右4分別為當(dāng)穩(wěn)定索配重5為0.3kg，0.5kg及0.9kg時(shí)的剛度曲線，顯然，扭轉(zhuǎn)剛度的增加是明顯的。從另一角度看，對(duì)六索結(jié)構(gòu)而言，我們并不擔(dān)心結(jié)構(gòu)關(guān)于艙兩個(gè)水平軸的剛度，認(rèn)為它們的剛度是足夠的，唯一擔(dān)心的就是關(guān)于自轉(zhuǎn)軸Z1的扭轉(zhuǎn)剛度。圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已說(shuō)明增加穩(wěn)定索可明顯增加扭轉(zhuǎn)剛度，而且還可通過(guò)改變配重5來(lái)改變對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度增加的程度(圖中MZ19,09表示九索時(shí)，配重5為0.9kg時(shí)，關(guān)于Z1軸的力矩)。為進(jìn)一步說(shuō)明可通過(guò)優(yōu)選配重來(lái)實(shí)現(xiàn)饋源艙1繞自轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)剛度并可達(dá)到與其它兩軸剛度相同量級(jí)這一問(wèn)題，特將關(guān)于艙的三個(gè)軸的剛度示于同一圖5中。顯然，具有0.9kg配重5的加穩(wěn)定索的扭轉(zhuǎn)剛度與無(wú)穩(wěn)定索的關(guān)于艙X1，Y1軸的剛度處于同一量級(jí)。如果進(jìn)一步優(yōu)選配重，可進(jìn)一步提高饋源艙的扭轉(zhuǎn)剛度，從而可打消一直以來(lái)對(duì)這一設(shè)計(jì)方案扭轉(zhuǎn)剛度不足的疑問(wèn)。而且，增加穩(wěn)定索在工程上也易于實(shí)現(xiàn)。
同樣道理饋源艙1圓周外邊緣連接的下拉索6有三個(gè)至六個(gè)中的任意數(shù)字均可，比如四個(gè)、五個(gè)、六個(gè)，試驗(yàn)和上面一樣。
權(quán)利要求
1.柔性天線結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)技術(shù)，在柔索塔(2)分布圓上均勻分布六個(gè)柔索塔(2)，每個(gè)柔索塔(2)下面固定一個(gè)過(guò)渡變向輪和驅(qū)動(dòng)器，各驅(qū)動(dòng)器的輸入端連接柔索(3)，各柔索3通過(guò)各自的過(guò)渡變向滑輪和各自的柔索塔(2)上端的滑輪組共同連接到被控運(yùn)動(dòng)目標(biāo)饋源艙(1)上，饋源艙(1)位于反射面(4)的焦點(diǎn)處，其特征是在饋源艙(1)圓周外邊緣有下拉索(6)，下拉索(6)另一端經(jīng)過(guò)反射面(4)圓周上的滑輪連接吊重(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性天線結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)技術(shù)，其特征是在饋源艙(1)圓周外邊緣均布連接有下拉索(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性天線結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)技術(shù)，其特征是在饋源艙(1)圓周外邊緣交叉連接有下拉索(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性天線結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)技術(shù)，其特征是在饋源艙(1)圓周外邊緣分散連接有下拉索(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4任意一個(gè)所述的柔性天線結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)技術(shù)，其特征是饋源艙(1)圓周外邊緣連接的下拉索(6)有三個(gè)至六個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及提高天線柔索支撐結(jié)構(gòu)剛度的技術(shù)。目前采用并聯(lián)的六根柔索3索引饋源艙1進(jìn)行大范圍的空間運(yùn)動(dòng)，該方案存在的最大問(wèn)題是繞饋源艙本身對(duì)稱軸扭轉(zhuǎn)剛度較低。本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種提高天線柔索支撐結(jié)構(gòu)剛度的技術(shù)來(lái)增強(qiáng)超大型天線柔索支撐結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案在饋源艙1圓周外邊緣有三個(gè)下拉索6，下拉索6另一端經(jīng)過(guò)反射面4圓周上的滑輪連接吊重5。優(yōu)點(diǎn)和效果明顯提高了系統(tǒng)的剛度，結(jié)構(gòu)的固有頻率有了明顯的改變。絕大部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)能量被三根穩(wěn)定下拉索及其吊重吸收了。簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于工程實(shí)現(xiàn)，且可滿足精度要求?？蓱?yīng)用于口徑在30至800米范圍內(nèi)，特別是口徑500m以上超大型天線的實(shí)際工程中。
文檔編號(hào)H01Q1/16GK101060192SQ20071001784
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月14日
發(fā)明者段寶巖, 仇原鷹, 訾斌, 杜敬利, 趙澤, 保宏, 盛英 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)