一种新型肋环形可展开天线结构设计及展开分析

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240270

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (4): 30-39.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240270

一种新型肋环形可展开天线结构设计及展开分析

董永灿¹, 袁行飞²^,³, 李姝¹, 艾科热木江·塞米⁴, 董石麟¹

^1.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058
^2.浙江大学平衡建筑研究中心，浙江杭州 310058
^3.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江杭州 310058
^4.新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐 830047

收稿日期:2024-05-30 出版日期:2025-04-25 发布日期:2024-11-08
通信作者: 袁行飞（1972—），女，博士，教授，主要从事空间结构研究。 E-mail:yuanxf@zju.edu.cn
作者简介:董永灿（1998—），男，博士生，主要从事空间结构研究。E-mail： yongcandong@zju.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(52278224);浙江省自然科学基金项目(LZ24E080001)

Structural Design and Deployment Analysis of a Novel Rib-Patterned Deployable Antenna Structure

DONG Yongcan¹, YUAN Xingfei²^,³, LI Shu¹, AKRAM Samy⁴, DONG Shilin¹

^1.College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China
^2.Center for Balance Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China
^3.The Architectural Design and Research Institute of Zhejiang University Co. ，Ltd. ，Hangzhou 310058，Zhejiang，China
^4.College of Civil Engineering and Architecture，Xinjiang University，Urumqi 830047，Xinjiang，China

Received:2024-05-30 Online:2025-04-25 Published:2024-11-08
Contact: 袁行飞（1972—），女，博士，教授，主要从事空间结构研究。 E-mail:yuanxf@zju.edu.cn
About author:董永灿（1998—），男，博士生，主要从事空间结构研究。E-mail： yongcandong@zju.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52278224);the Natural Science Foundation of Zhejiang Province(LZ24E080001)

摘要/Abstract

摘要：

受肋环形索穹顶结构构型的启发，提出了一种新型肋环形可展开天线结构，旨在探索大口径天线的创新设计方案。首先，设计了一种带有驱动-锁定接头的基本可展开模块，通过依次组装多个基本可展开模块构成伸展臂，以作为径向支撑肋。进一步地，将多榀伸展臂沿环向阵列排布并相应设置预应力环索，构建得到了一种新型的肋环形可展开天线结构。在完全展开状态下，这种天线结构可视为索梁复合体系，借助有限元软件建立结构的仿真模型，进一步对该结构体系进行模态分析，对比发现：相较于现有构型，所提出的肋环形可展开结构具有更好的结构刚度特性，这表明该结构有望被应用于大口径天线设计。在此基础上，探索了这种肋环形结构形式在大口径天线中的应用，提出了一直径为58.2 m的可展开天线设计方案。为验证设计的可行性，利用多体动力学仿真软件Adams构建了该天线的仿真模型，并分别对其单榀伸展臂和整体结构进行了展开运动仿真。结果表明，所设计的结构能够顺利展开到位并实现可靠锁定，进一步验证了所提出的天线设计方案的可行性和有效性。研究表明，所提出的新型肋环形可展开天线结构兼具桁架式折展结构高刚度和肋式折展结构高折展比的优势，可为未来大口径天线的结构选型提供有益的参考。

关键词: 肋环形结构, 天线, 可展结构, 结构设计, 展开仿真

Abstract:

Inspired by the structural configurations of ribbed cable domes, this study introduced a novel rib-patterned deployable antenna structure, aiming to explore innovative design solutions for large-aperture antennas. Firstly, this paper designed a basic deployable module with a driving-locking joint. By sequentially assembling multiple such modules, an extendable arm was constructed, which serves as a radial support rib. Furthermore, multiple extendable arms were arranged in a circumferential array, with corresponding prestressed loop cables, resulting in the construction of a novel rib-ring deployable antenna structure. In its fully deployed state, this structure can be conceptualized as a cable-beam composite system. A simulation model of the structure was created using finite element analysis software, and modal analysis was conducted. Comparative results reveal that, relative to existing configurations, the proposed rib-ring deployable structure exhibits superior structural stiffness, indicating its potential for application in large-aperture antenna design. Building on these, the study investigated the application of the rib-patterned structure to large-aperture antennas, proposing a deployable antenna design with a diameter of 58.2 meters. To assess the feasibility of this design, a simulation model of the antenna was developed using multi-body dynamics simulation software Adams, and deployment motion simulations were performed both for the individual extendable arm and the overall structure. The results demonstrate that the designed structure can successfully deploy into position and achieve reliable locking, further verifying the feasibility and effectiveness of the proposed antenna design. The study indicates that the novel rib-ring deployable antenna structure combines the advantages of truss-type deployable structures, which offer high stiffness, and rib-type deployable structures, which provide a high deployment ratio. This research offers valuable insights for the structural selection of future large-aperture antennas.

Key words: rib-patterned structure, antenna, deployable structure, structural design, deployment simulation

中图分类号:

TH11

董永灿, 袁行飞, 李姝, 艾科热木江·塞米, 董石麟. 一种新型肋环形可展开天线结构设计及展开分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(4): 30-39.

DONG Yongcan, YUAN Xingfei, LI Shu, AKRAM Samy, DONG Shilin. Structural Design and Deployment Analysis of a Novel Rib-Patterned Deployable Antenna Structure[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(4): 30-39.

图/表 17

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参考文献 25

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项目	梁单元	索单元
材料	碳纤维	Kevlar
截面类型	空心	实心
内半径/mm	70.0
外半径/mm	75.0	2.5
弹性模量/GPa	350	131
密度/（kg·m^-3）	1 940	1 440

可展开天线类型	f₁/Hz	f₂/Hz	f₃/Hz
比率	3.66∶1	6.52∶1	4.59∶1
文中肋环形	2.428 3	5.553 7	5.553 7
文献［23］的索肋形	0.664 3	0.852 1	1.210 3

节点编号	（x，z）		（x，z）
n₁	（0，0）	n₁₁	（13.72，4.14）
n₂	（0，5）	n₁₂	（13.72，9.14）
n₃	（2.50，0.67）	n₁₃	（17.10，5.46）
n₄	（2.50，5.67）	n₁₄	（17.10，10.46）
n₅	（5.06，1.38）	n₁₅	（20.78，7.08）
n₆	（5.06，6.38）	n₁₆	（20.78，12.08）
n₇	（7.75，2.16）	n₁₇	（24.79，9.09）
n₈	（7.75，7.16）	n₁₈	（24.79，14.09）
n₉	（10.62，3.06）	n₁₉	（29.12，11.59）
n₁₀	（10.62，8.06）	n₂₀	（29.12，16.59）

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