薄膜结构的弯折与拉展变形行为研究

发布时间：2020-08-10 09:20

【摘要】：大型空间薄膜飞行器发射前需折叠以满足其高效收纳。薄膜会因折叠产生大量的折痕。这些折痕对薄膜结构的形状与性能影响显著,是高精度膜结构(如空间充气展开天线等)的典型失效模式。另一方面,纳米尺度膜结构(如石墨烯膜等)的性能与其表面构型密切相关,许多器件都是通过构型设计(如弯折等)来实现性能调控。而当前膜结构弯折相关的变形机理仍未明确,针对弯折变形的理论分析方法研究有待深入。为此,本论文重点开展薄膜结构的弯折与拉展变形行为研究,并将方法拓展用于石墨烯膜的弯折分析中,对薄膜结构的折叠与展开设计以及构型调控都具有重要的理论和工程指导意义。本文首先研究了薄膜结构的弯折变形行为。基于大变形平面应变梁理论,考虑幂硬化材料关系,预报了薄膜结构进入塑性弯折时的临界弯折力及临界弯折间距,获得了弯折变形中弯折力与弯折间距及弯折构型的关系。通过弯折变形的数值分析得到了塑性区的扩展规律以及弯折临界角的变化规律,得到了弯折痕区域应力场的变化特性。研究了带折痕的薄膜结构的拉展变形行为。基于大变形平面应变梁理论,考虑折痕转动刚度的影响,分析了初始折痕角、弯曲刚度及折痕转动刚度对拉展变形的影响,得到了带折痕的薄膜结构在拉伸展开变形中弯曲变形、折痕夹角变化及拉伸变形的相互作用关系。建立了考虑初始复杂应力与应变状态的折痕数值分析模型,研究了拉伸展开变形中折痕处的应力变化规律,获得了拉伸载荷与展开构型的关系,并分析了折痕对薄膜结构褶皱变形的影响。进行了薄膜结构的弯折与拉展变形的实验研究。测试了不同厚度薄膜的弯折变形响应,研究了厚度与弯折力和残余弯折间距的关系,获得了最小弯折间距与折痕残余角的关系。基于光学非接触测量技术,测试得到了带折痕薄膜结构的拉伸载荷与展开构型的关系,测定了不同最小弯折间距时折痕的转动刚度。实验结果验证了分析模型的准确性。本文最后将提出的折梁分析模型拓展用于石墨烯膜的弯折与拉展变形行为。基于变刚度Timoshenko梁分子结构力学模型,修正了石墨烯弹性性能的预报,并基于分子动力学方法,模拟分析了石墨烯膜弯折变形中的势能、应力场和弯折构型的变化。基于平面应变梁理论,预报了石墨烯膜的弯折构型,得到了与模拟相一致的结果。基于梁理论,分析了表面带有类折痕的石墨烯膜的拉展变形特性,结合细观力学分析方法,预报了类折痕结构对氧化石墨烯弹性性能的影响。
【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】：TQ127.11;TB383.2
【图文】：

太阳帆,弯折,缠绕式,Z型

第 1 章绪论研究团队[29-33]在薄膜结构的太空应用方面进行了究了太阳帆薄膜结构的弯折。2008 年针对一种新了一种中心缠绕式弯折方案[30]，通过弯折实验验1-2 所示。2010 年，该团队进一步对该弯折机理进的构型特征和受载工况，抽象得到了如图 1-3 所

弯折机,简化分析模型,弯折,缠绕式

提出了一种中心缠绕式弯折方案[30]，通过弯折实验验证了方案，如图 1-2 所示。2010 年，该团队进一步对该弯折机理进行了研究折过程中的构型特征和受载工况，抽象得到了如图 1-3 所示的弯折模型[31]。图 1-2 太阳帆的中心缠绕式 Z 型弯折[30]Fig. 1-2 The Z-type folding of central spiral of solar sail[30]

弯折,简化分析模型,弹塑性

图 1-4 Z 型弯折的简化分析模型[32]ig. 1-4 The simplified analysis model of Z-type folding折痕处 Von Mises 应力0 Misess与集中力的测弯折过程中折痕处是否发生了塑性变形。0 006( )(1 cos ) sinMises a b a bsEP T Qtb 弯折弹性变形阶段，并没有考虑弹塑性弯折，的应该是弹塑性弯折变形，因此该理论还有待弹塑性弯折变形。ya 研究团队根据几何对称性，对弯折 1/2 模究，分析中考虑了材料非线性关系和接触关系薄膜结构的弹塑性弯折试验研究，试验结果验报结果的有效性。a 等提出的弯折分析模型，蔡祈耀等[34]认为起主导作用，将模型做了进一步简

【参考文献】