织物复合材料双稳态柱壳卷展变形行为研究

发布时间：2020-08-04 14:57

【摘要】：采用特定角度铺设的织物复合材料薄壁柱壳具有双稳态特性,即在卷曲状态与展开状态均处于稳定状态,无需外界约束。该类结构具有卷曲收纳装置简单、展开过程可靠、收纳效率高等优势,在空间可展开结构中具有极大的应用潜力。由于织物复合材料双稳态柱壳存在弯曲刚度预报困难,且在卷曲与展开过程中存在过渡区域移动、局部失稳、大转动等特殊现象,其卷展过程中的行为研究尚不完善。本文针对织物复合材料双稳态柱壳,围绕卷曲与展开过程中的大转动非线性变形行为,从弯曲刚度预报、双稳态跳变行为、过渡区域构型预报、卷展过程特征参数描述及结构承载性能等方面进行研究。具体研究内容如下:特定的弯曲刚度分布是实现织物复合材料双稳态特性的关键。由于织物中的纤维束沿厚度方向分布不均匀,导致采用层合理论预报弯曲刚度系数结果偏差较大。为提高预报精度,根据织物复合材料横截面微观结构,确定了纤维束截面厚度、宽度及相邻纤维束间的间距等关键参数,建立了织物复合材料单胞三维几何模型。结合体素网格,通过不同网格位置施加不同的位移约束,实现了弯曲工况下对应的非均匀分布位移边界条件的程序化施加,建立了织物复合材料弯曲刚度预报模型,得到了织物复合材料的弯曲刚度矩阵。开展了四点弯曲试验和悬臂薄板弯曲试验,弯曲刚度预报结果与试验结果偏差5.33%,验证了预报结果的准确性。结合前述预报得到的弯曲刚度,针对织物复合材料双稳态柱壳,以柱壳轴向和横向曲率为变量,建立了织物复合材料柱壳应变能与两个曲率之间的理论模型,分析了双稳态实现机制。考虑边界效应影响,给出了临界截面张角的预报模型。针对大截面张角柱壳两个稳态之间的跳变行为,提出了两点拉伸加载的分析方法,建立了跳变行为有限元分析模型,解决了大截面张角情况下柱壳跳变行为分析难题,获得了不同长度柱壳的跳变过程载荷位移关系。双稳态柱壳正向和反向跳变临界载荷预报结果与试验测试结果吻合较好,为准确描述大截面张角双稳态柱壳跳变行为提供了分析方法。针对两个稳态之间的过渡区域构型难以采用多项式函数拟合的难题,提出了根据曲率分布特征进行分区的方法,将过渡区域分解为轴向曲率主导的准卷曲区域和横向曲率主导的准展开区域。采用薄壳理论,推导了过渡区域不同分区控制微分方程,结合边界条件建立了过渡区域曲率分布及临界长度理论预报模型,并分析了柱壳几何尺寸及弯曲刚度系数等对过渡区域的影响。算例分析表明,理论模型预报长度为257.76mm,有限元预报结果为276mm,偏差5.58%。对于确定的弯曲刚度矩阵,过渡区域长度随着截面弧长的增加而近似线性增加;增大抗弯刚度D12和抗扭刚度D66,准卷曲区域长度将逐渐减小,而准展开区域长度及总的过渡区域长度将出现增加的趋势。在前述研究基础上,假设卷曲状态应变能可部分地转换为展开过程中的动能,考虑过渡区域长度影响,建立了双稳态柱壳展开过程中的展开位移及速度等特征参数随展开时间的变化关系理论模型。采用有限元方法建立了卷展过程分析模型,预报了卷展过程中的强度特征及展开过程中的变形行为。搭建了双稳态柱壳卷展过程试验装置,开展了卷展过程试验,获取了展开过程中的位移随时间的变化关系。对于展开长度为0.7m的双稳态可展开柱壳,理论预报展开时间为0.238s,试验测试为0.247s,偏差为3.64%。相同截面弧长下,展开时间随柱壳截面张角增加而减小,随刚度系数增加而线性减小。面向实际应用需求,对于展开状态的双稳态柱壳,采用有限元方法建立了轴向压缩、正向和反向弯曲等典型工况下的承载性能分析模型,开展了有限元分析和试验验证,并给出了截面张角、轴向长度、刚度系数等参数对临界载荷的影响规律。采用有限元方法分析了双稳态柱壳的固有频率,并通过了试验验证,给出了几何尺寸和弯曲刚度系数等对固有频率的影响规律。在双稳态可展开柱壳基础上,提出了用于可展开抛物柱面反射面支撑结构的双柱壳结构体系,建立了双柱壳体系载荷预报模型,采用有限元方法开展了双柱壳体系变形特性分析,为空间可展开结构设计提供了新的途径和方法指导。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TS106;TB33
【图文】：

太阳帆,柱壳,豆荚状,豆荚

壁可展开柱壳发展现状薄壁可展开柱壳的研究起于 20 世纪 60 年代。1965 年，Ri种可卷曲管状伸展杆(STEM-Storable Tubular Extendible 构初始状态为伸直状态，截面形状为开口圆弧状，在开口处域，沿截面方向展平后可像卷尺一样卷曲收纳；在弹性能和开，依靠自身存储的弹性应变能恢复至初始柱壳形态。该类高、展开刚度好、尺寸可扩展等优点[23]。随着复合材料技术材料可展开柱壳日益受到人们的重视，其在太阳帆、空间伸构中的应用已得到较多的研究。壁柱壳在太阳帆中的应用高刚度可展开杆是轻质太阳帆结构技术中的一个关键技术帆技术的可行性及可靠性，德国航天中心较早开展了轻质太用碳纤维复合材料豆荚状截面柱壳作为太阳帆展开与成型荚形截面柱壳具有抗弯、抗扭刚度高，可卷曲收纳的优点截面柱壳及其在太阳帆样机中的应用见图 1-1。

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图 1-2 不同截面形式Fig. 1-2 Bending stiffnesses for cylindrJohnson 等[32, 33]采用人字形截面柱阳帆的可行性，研制了 5m×5m 太阳帆方体卫星用太阳帆，提出了采用双稳态方案。采用弹力绳连接柱壳与条状帆面(a

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图 1-7 双稳态柱壳结构支撑衍射望远镜样机[40]g. 1-7 Demonstrator of cubsat diffraction telescope with bistable she内外应用研究现状，为促进双稳态柱壳结构的进一步应双稳态特性的影响、跳变机制、过渡区域构型及卷展过步研究和完善。

【参考文献】