考虑频率和应力约束的索网式天线多目标优化设计

为确保天线的表面精度和工作性能,综合考虑了天线结构重量、频率、布局等诸多因素,提出了基于优化的设计方法来平衡这些因素.以绳索预张力大小、纵向调整索数目、辐射单元数目为设计变量,结构重量和网状反射面的均方根误差最小为目标函数,应力和频率为约束条件,建立了索网式可展开天线设计的多目标优化数学模型.并将多目标化为单目标用遗传算法进行了求解,结果表明:在结构表面精度达到约2mm 的条件下,结构重量能减轻12%.这表明文中所提出的优化设计方法是有效可行的,对网状天线结构的设计具有一定的指导意义.     

环形桁架展开天线索网的预拉力优化技术及工程应用

针对环形桁架展开天线抛物面索网预拉力配置问题,提出了一种寻找预拉力最优配置的方法,该方法基于抛物面索网结构的平衡矩阵奇异值分解,并采用含线性不等式约束及线性等式约束的线性规划方法,寻找抛物面索网最优预拉力配置,文中对抛物面索网结构平衡矩阵的形成、奇异值分解、线性约束优化方法的数学模型、约束矩阵的集成等关键技术进行了详细的推导说明,同时,根据理论推导编写了相应的分析程序,进行了算例分析,并采用非线性有限元法对分析结果进行了验证,证明该方法的正确性.最后,通过实际的天线结构工程的设计分析,对文中提出方法的工程应用可行性进行了论证.     

预应力索网天线结构优化设计

索网预拉力设计是索网天线结构设计的一个重要内容.针对三向网格旋转抛物面索网天线结构,首先在不计桁架结构受力变形的条件下,从索网节点的力平衡方程出发,以索网结构的结构特征为依据,以网面索段最大拉力比最小为设计目标,给出了索网结构预拉力优化设计的有效方法;其次,考虑到在索网结构的拉力作用下,桁架结构的微小变形将导致网面索段的拉力均匀性变差,通过调节索网挂接节点的位置,对桁架结构的受力变形进行了有效补偿,改进了预应力索网天线结构的整体设计方案.算例分析结果表明,天线结构网面索段的实际设计最大拉力比为1.30,验证了方法的正确性及有效性.     

随机参数天线结构的概率优化设计

研究了具有随机参数天线结构基于概率的优化设计问题。同时考虑了结构物理参数、几何尺寸和作用荷载等的随机性;应用有限元方法与结构可靠性理论对抛物面天线反射面精度的可靠性和结构单元强度、稳定性和可靠性进行了分析;在此基础上构建了基于概率的天线背架结构优化设计模型。对8m口径天线结构的优化结果表明:文中提出的天线结构分析和优化设计模型与方法是合理可行的。     

基于拓扑与形状优化的小型化金属天线设计方法

天线小型化设计需要基于先进的设计方法,基于拓扑优化的设计往往存在灰度单元,因此设计结果无法直接应用,需要进一步规整设计。而对于电磁金属结构,粗糙的规整方法会引起结构性能的很大变化以致偏离最优结果。提出一种拓扑优化和形状优化相结合的方法,用于金属天线结构的小型化设计。该方法通过拓扑优化获得金属天线结构的概念构型,进而利用形状优化对概念构型进行边界规整和精细化设计。形状优化方法采用多控制点贝塞尔曲线描述拓扑概念构型,通过贝塞尔曲线控制点的移动实现天线构型的调控。给出了贝塞尔曲线控制点的设置原则,基于拓扑优化得到场量分布结果,利用较少的贝塞尔曲线控制点实现天线拓扑构型结构特征的有效调控。该方法可以获得无灰度单元残留的拓扑结果,同时可有效避免密度阈值规整方法中天线性能改变的问题,并且获得的拓扑构型边界光滑。数值算例表明拓扑优化和形状优化相结合方法的有效性。此外,该方法可拓展到其他类型电磁器件的优化设计中。     

大型天线结构的保型优化设计

本文给出了以天线变形后相对“最佳吻合抛物面”的加权均方误差为目标函数的结构优化方法.用导数矩阵对复杂的目标函数进行局部线性化处理,并归结为二次凸函数.将此二次凸规划化为一附加一定条件的线性规划问题,并运用修正的单纯形法进行优化.所选择的优化参数有杆截面积、板厚、节点坐标以及截面积比例系数.在多个天线上运用此法均得到较好的结果.     

天线辐射梁的连续体拓扑优化研究

针对目前反射面天线苛刻的精度要求,结合天线结构其自身特殊的工程要求,本文采用了连续体拓扑优化建模方法对其进行研究。根据天线主面母线离散点位置划分相应的拓扑区域,同时考虑支撑面板和背架的重力载荷,采用RAMP法对天线辐射梁建立了优化模型,并结合天线设计要求做了修正。最后选用MMA方法对优化模型进行求解,对比修正前的优化模型,修正后的模型可以解得相对更合理的拓扑结构。     

基于77GHz毫米波雷达接收天线的周期性条形阵列解耦结构优化方法

阵列天线是77 GHz毫米波雷达的核心硬件之一,其天线性能决定着雷达的探测能力。由于工作频率的升高以及毫米波雷达小型化、集成化的发展趋势,使得雷达阵列天线阵元间距过密,从而相互干扰出现强互耦效应,严重恶化雷达阵列天线的性能。为了解决上述问题,本文提出了一种基于77 GHz毫米波雷达接收天线的周期性条形阵列解耦结构优化方法。该方法通过优化周期性条形阵列解耦结构单元的条形厚度和间距,在保证阵列天线辐射性能的基础上,来抑制毫米波雷达接收天线阵元间的互耦并提高其阵元间的隔离度。仿真结果表明,相比于无解耦结构的阵列天线,提出的解耦结构能够有效地降低毫米波雷达接收天线间的耦合,尤其在中心频率77.75 GHz处互耦减少了13.29 dB。在施加周期性条形阵列解耦结构前后,阵列天线均在77.5 GHz～78.5 GHz指定频段内正常工作,且合成辐射方向图的最大增益几乎保持不变,从而保证了毫米波雷达阵列天线的辐射性能。典型的数值算例能够很好地验证所提方法的有效性。     

天线结构多目标模糊优化设计

本文在结构模糊优化设计理论的最新成果——普遍型模糊优化的基础上研究解决了包括重量、精度、动力基频和安全度等目标在内的天线结构多目标模糊优化设计问题,使得天线结构优化更令面、更合理、更实际。这是在计算机上对多变量、多工况、多约束、多目标大型结构进行模糊优化设计的成功应用的实践。     

智能抛物面天线多目标最优控制

大型天线必须保持非常精确的形状。由于载荷变化及各种随机干扰,为了保持精确的形状,这类结构宜采用主动控制。针对智能抛物面天线结构,建立了对天线反射面的最佳吻合抛物面的RMS精度和作动器能耗为综合目标的多目标优化模型。优化模型以结构强度和作动器性能作为约束条件,模型转化为二次规划问题进行求解,实现智能抛物面天线的准静态最优控制。算例表明,可以用较少的作动器,实现大型天线结构的精密控制。     

索网天线找形分析的参变量变分有限元法

针对柔性空间索网天线的非线性特点,建立了基于参变量变分描述索网拉压非线性和共旋列式描述几何非线性的有限元控制方程,应用Lernke与改进牛顿法进行求解.通过对索网预张力平衡计算,证明改进牛顿法比Newton-Raphson法具有更强的收敛能力.进一步将力密度法迭代原理与有限元法结合应用于索网天线的非线性找形分析中,获得了理想的索网构型.本文的索网找形方法可广泛应用于空间索网天线结构的设计.     

强爆炸冲击波作用下天线结构的离散变量优化设计

首先建立了强爆炸冲击波作用下天线结构受精度和应力约束的连续变量优化设计数学模型 ;其次 ,根据材料特点 ,将设计变量取为离散变量 ,提出了天线结构在强爆炸冲击波作用下受精度和应力约束的离散变量优化设计数学模型。采用离散变量优化算法离散复合形法 ,对强爆炸冲击波作用下的 8m天线进行了优化计算。结果表明 ,经优化设计后 ,天线重量仅为初始重量的 4 0 %。     

天线结构表面精度的可靠性分析

本文的目的是:(1)探讨天线结构表面精度可靠性的分析方法;(2)研究天线结构公差对表面精度的影响。给出了三种分析可靠性的方法,即二阶矩法,改进的Rackwitz法,以及蒙的卡洛法。特别在改进的Rackwitz方法中提出了一种应用优化途径的算法,具有很高的计算效率。所述方法完全可用于其它复杂结构的可靠性分析。     

影响结构优化理性准则法优化效果的关键问题研究

深入仔细分析决定理性准则法优化效果与优化效率的关键问题——准则是否准确和迭代计算是否收敛。首次提出：在结构优化中,重量作为设计资源除有改善结构性能的一面之外,还会有作为载荷导致结构性能劣化的矛盾的另一面。虚功准则方程组忽略载荷导数,无法考虑重量矛盾作用的另一面,这种忽略不能视为合理近似。因为对于航空航天器、高精度天线和高速运行的机械、车辆等以自重和惯性载荷为主的一大类工程结构,这种忽略导致虚功法,得到的解离最优解相差甚远。导重准则法是严密推导的理性准则法,克服了虚功法准则不准的缺陷,优化效果大幅度提高。理性准则法最后归结为非线性准则方程组的迭代求解,由于工程结构优化的准则方程组难以满足其严格的收敛条件,而可采用步长因子法求解,可以证明使迭代收敛的步长因子一定存在,并可给出步长因子理论取值范围和实际取值方法。以十杆桁架考题和两个天线结构优化为例验证了以上论点。     

天线结构的自动迭代设计

本文用准则法建立了大型高精度天线结构的自动迭代设计方法。用虚功法推导了天线结构在自重载荷下以重量不变为约束时相对最佳吻合抛物面的均方误差达到最小的最优准则;在优化中还考虑了最危险载荷下杆件的应力约束以及最小截面积约束。对三个天线的计算表明,此法收敛迅速,一般重分析次数在4～8次就获得收敛的结果。     

基于实验设计法的桁架结构几何优化

本文用基于实验设计法的优化程序对桁架的一组结构布局的布局优化问题进行了杆件全应力条件下几何优化计算,结果表明基于实验设计法的结构优化方法对于多设计变量优化问题的适用性．结构布局的几何优化结果表现了合理的一致性．     

质量对结构优化理性准则法计算结果的影响研究

在结构优化中,质量作为设计资源能改善结构性能,但质量会引起自重与惯性载荷等问题,因而质量还会导致结构性能劣化。虚功准则方程组忽略了载荷对设计变量的导数,不能考虑质量导致结构性能劣化的一面。对于航空航天器、高速运行的车辆、机械和高精度天线等以自重和惯性载荷为主的工程结构,这种忽略导致虚功法得到的解与最优解相差甚远。导重法是严密推导的理性准则法,克服了虚功法准则不准的缺陷,优化效果较虚功法大幅提高。但对于考虑自重载荷的三杆、五杆桁架等简单结构优化问题,虚功法也可以得到与导重法相同的最优解计算结果,从拉格朗日条件出发解释该问题,给出考虑载荷对设计变量的导数时虚功法也可求得最优解的条件,这对于结构理性准则法及其工程应用的深入研究均具有重要理论与实践意义。     

两点边值问题3次Lagrange形函数有限元方程的条件数和预处理

大型病态稀疏线性方程组的求解是科学计算和工程应用中的重要问题之一,采用预处理方法,通过降低条件数来减少病态是解决这一问题的关键。基于3次Lagrange形函数,用有限元方法将积分形式两点边值问题的求解转化成病态七对角方程组的求解。通过研究该方程组的特殊结构,分析了该方程的条件数,找到产生病态的因子(致病因子)。将系数矩阵的大范数部分分解成几个简单矩阵的特殊组合,基于这种特殊分解,设计出预条件子(去病因子),并对预条件子的性能进行了定量分析。结果表明,该预条件子的使用几乎不增加迭代的计算量,预处理后的条件数接近1。     

旋转多天线条件下导航解算方法

现阶段,一般采用多天线GPS接收机测量空间旋转目标。由于各天线安装位置不同,存在跟踪点不一致问题,影响了测量精度,有必要采取措施消除该系统误差。根据载体姿态信息,分析了旋转条件下天线安装位置与载体质心的位置速度关系,设计了旋转多天线条件下导航解算方法,将各天线观测值统一修正到载体质心,从而消除旋转条件下跟踪点不一致引入的系统误差。在载体姿态信息实时辅助下,该方法将天线安装位置不同引入的位置误差和速度误差分别减少至毫米量级和厘米量级,保证了高动态自旋载体测量精度。     

基于模态参数考虑边界条件变异的桥梁结构损伤识别

根据桥梁结构的实际工程特性,分析其边界条件变异、结构损伤及其参数变化,采用约束优化理论,建立以实测和理论模态参数误差平方和最小为目标函数的优化反演问题。基于矩阵摄动理论引入与结构动力方程对应的特征值和特征向量的一阶、二阶摄动量,将优化反演问题简化为非线性最小二乘法优化反演问题。针对桥梁结构边界条件对模态参数影响显著的实际情况,实施桥梁结构边界条件预识别,采用单元模态应变能方法预定位损伤,提出考虑边界条件变异的桥梁结构损伤识别具体流程。以一磁浮轨道梁方案为例,采用数值模拟进行边界条件变异及损伤的识别验证,结果表明:该方法能够有效识别边界条件的变异及构件损伤,识别参数的相对误差最大为12.48%,具有较高的识别精度。