天津大学提出索网天线高精度设计方法，破解面向制造的索网设计难题

在卫星通信、微波遥感等航天应用中，大型网状天线的索网结构需具备极高的表面精度以保证电磁波反射性能。然而，传统索网设计方法存在严重的“工程一致性缺失”问题。理论建模中对材料本构的线性化假设、对索网连接细节的简化处理等，导致设计值与物理样机的节点均方根（RMS）偏差可达数个数量级，实际表面精度远低于理论预期，且后续调试耗时费力。如何在设计阶段就兼顾理论精度与工程实际的一致性，成为制约高表面精度索网结构发展的关键瓶颈。

为解决上述瓶颈，本文提出了一种充分考虑工程一致性的索网高精度设计与误差分析方法。天津大学何柏岩、聂锐老师团队的相关研究论文《Methodology for cable network design and error analysis with high engineering consistency》已在航空航天领域顶刊Aerospace Science and Technology发表。

该方法通过整合非线性材料本构模型与结构细节，建立了与物理样机高度吻合的索网精确模型，实现了从理论设计到工程应用的精准落地，显著提升了索网结构的表面精度与张力一致性。

论文原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ast.2025.110781

索网结构被广泛用于网状天线反射面，其表面精度直接影响天线电性能。尽管现有的设计方法在理论上能够实现相对较高的表面精度，但实际样机与设计间通常偏差较大。为解决这一问题，提出了一种显著提高制造结构表面精度的索网设计方法。

1. 提出了一种具有强样机一致性的高精度索网设计方法。索网的材料和几何非线性以及结构细节和拓扑多样性被完整地纳入到索网建模过程中。

2. 提出了一种结合材料和制造不确定性的误差分析方法，表征了在有限制造条件下样机表面精度分布规律。

3. 制造了两个样机，并验证了所提设计方法具有较高的工程一致性。

为验证所提设计方法与误差分析模型的准确性，团队完成了从样机搭建到高精度测量的全流程实验验证，其中 FZMotion 运动捕捉系统为实验提供了核心的真值数据与精度评估依据。

1. 材料参数标定实验

通过电子万能试验机对凯夫拉纤维索与调节装置进行拉伸实验，获取非线性本构参数及其分布规律。

2.真实场景数据采集与真值验证

①样机搭建：分别采用传统方法与所提方法设计索网并制作了两套索网样机。

②真值验证用于性能评估：在实验分析中，将FZMotion动捕系统提供的真值作为核心指标，用于衡量与比较两种设计方法在实际应用中的精度。该系统由 4 台 SWIFT30红外动捕相机组成，测量精度达 0.1mm，通过捕捉支撑桁架边界节点与索网节点的反光标记点，获取了节点三维坐标真值，为表面精度计算提供了基准与可靠的初始输入条件。

3. 重建结果可视化对比

实验结果显示，所提方法设计的索网表面精度显著提升：简单拓扑结构样机表面精度从 4.42mm 提升至 1.69mm，复杂拓扑结构样机从 6.84mm 提升至 2.06mm；索网张力误差从传统方法的 37.3%-54.8% 降至 6.3%-15.1%。此外，实测 RMS 误差均落在不确定性分析预测的分布范围内，充分验证了所提方法的准确性。

研究团队依托“机构理论与装备设计”教育部重点实验室、“复杂装备机构理论与设计技术”教育部创新团队、基金委“高端装备机构理论与技术基础”创新研究群体等平台形成航天装备设计特色研究方向，在空间可展结构设计与分析多体系统动力学、机构与结构创新设计等方面成果突出。实验室现有 FZMotion光学运动捕捉系统、UTM6104系列微机控制电子万能试验机、进口B&K系列动态测试与分析仪器、航天异构铰链动静刚度测试系统、2m口径环形网状天线缩比模型、模块化网状天线缩比模型、多点分布式主动重力卸载系统等可展结构相关测试与实验平台。2020 年与航天五院共建了“空间机械与热物理技术联合实验室”。