充气膜结构展开仿真和自硬化充气管研究

论文摘要

空间充气展开结构具有重量轻、折叠体积小等显著优点,在大型空间结构如大型空间天线、太阳帆板等领域有广阔的应用前景。本文首先介绍了充气展开结构在国内外的发展应用情况和充气展开仿真的研究现状。在充气结构中,充气展开支撑管是主要的部件之一,卷尺加劲可展自硬化充气管是充气展开支撑管中利用钢卷尺来达到自硬化目的的一种类型。本文根据以往的研究,对卷尺加劲可展自硬化充气管进行了一些改进,对卷尺加劲可展自硬化充气管的各个部件（如端头、保形环等）进行了分析与设计,确定了其几何尺寸以及各个部件间的连接,并制作了2根3.7m及1根1.2m的充气管模型。然后利用1.2米的模型进行了充气硬化实验、轴压实验和悬臂实验。并利用有限元程序分析了模态。空间充气展开结构的空间实验花费往往极为昂贵,而由于重力和大气压力的影响,充气结构的地面实验又很难模拟实际空间工作环境,微重力和真空环境也很难在较大空间内同时实现。所以,计算机模拟其展开过程成为了此项研究工作的重要辅助手段。大型空间天线主要有直管、环管和膜面等主要部件,本文对于这些部件分别建模,利用LS-DYNA进行了展开分析。比较了不同的充气速度、不同的折叠方式等对展开性能的影响。并对不同气压下抛物面的形面精度进行了研究。最后,总结了本文研究的成果,并对以后的研究提出了自己的展望。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 充气结构国内外的应用现状
• 1.3 充气结构展开仿真国内外研究现状
• 1.4 本文主要内容
• 第二章 充气管设计、分析及模型试验
• 2.1 引言
• 2.2 结构设计
• 2.2.1 充气管端头设计
• 2.2.2 支撑圆环加工与设计
• 2.2.3 钢卷尺与端头连接设计
• 2.2.4 钢卷尺与层合薄膜连接设计
• 2.3 充气硬化管充气压力的确定
• 2.3.1 充气硬化材料的特性
• 2.3.2 充气硬化过程受力分析和充气气压的确定
• 2.4 自硬化支撑管的模态分析
• 2.4.1 有限元建模
• 2.4.2 充气展开自硬化支撑管的模态分析
• 2.4 模型试验
• 2.4.1 充气硬化实验
• 2.4.2 轴压实验
• 2.4.3 悬臂梁的实验
• 2.5 本章小结
• 第三章 充气膜结构展开仿真分析的基本理论
• 3.1 引言
• 3.2 膜单元
• 3.2.1 膜单元形函数
• 3.2.2 几何方程
• 3.2.3 整体坐标系下的单元平衡方程
• 3.3 非线性铰链模型
• 3.4 卷曲折叠管展开模型
• 3.5 控制体积法
• 3.6 ALE法
• 3.7 接触非线性问题
• 3.7.1 接触问题的求解过程
• 3.7.2 接触界面的判定条件
• 3.7.3 罚函数法
• 3.8 有限元方程的解法
• 3.9 本章小结
• 第四章 充气直管的展开仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 充气直管的折叠建模研究
• 4.2.1 充气直管常用的折叠方式
• 4.2.2 充气直管的建模
• 4.3 Z字形折叠充气直管展开过程分析
• 4.4 卷曲折叠的充气直管展开过程分析
• 4.5 充气长直管展开过程分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 充气环管和组合模型的展开仿真分析
• 5.1 引言
• 5.2 环管的建模
• 5.3 膜面的折叠建模
• 5.4 环管的展开仿真分析
• 5.5 环管-膜面的展开仿真分析
• 5.6 直管-环管-膜面的展开仿真分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 抛物形反射面的展开仿真分析
• 6.1 引言
• 6.2 抛物面的建模
• 6.3 抛物面压平模拟结果和分析
• 6.4 抛物面充气展开模拟结果和分析
• 6.5 气压对抛物面精度的影响
• 6.6 本章小结
• 第七章 本文总结和展望
• 7.1 总结
• 7.1.1 充气自硬化管的研究
• 7.1.2 充气膜结构展开仿真分析
• 7.1.3 基于记事本综合利用多种软件进行分析的思路
• 7.2 展望
• 参考文献