形状记忆复合材料的动态特性研究及其在空间展开充气管上的应用

发布时间：2020-08-29 10:18

　　充气天线具有质量轻、收藏体积小的特点,而且天线口径越大,它的优势越明显,已逐渐成为航天结构领域的研究热点。然而,就目前而言,不可否认薄膜材料制成充气管还具有很多缺点,使其应用于实际受到很大阻碍,比如:强度低,刚度差,易损坏等。这些材料上的不足导致了结构上的应用并不理想,因此,这是亟待解决的问题。鉴于国内外对形状记忆聚合物的结构研究已经有了长足的进步,各种各样的新型研究成果争相涌现,尤其是在航空航天方面的探索性应用更是日渐激烈。因此,对于充气管结构也可以尝试结合形状记忆聚合物。本文设计制作了内部嵌有气动结构的带有形状记忆效应的复合材料充气管结构。外部复合材料能够通过其形状记忆效应使得空间内的管结构实现展开,且复合材料相比于现有的薄膜材料具有强度、刚度大的特点,增强了可靠性。内部的气动结构既可以增强结构的刚度,又可以加速展开的过程。本文进行了充实的研究工作,主要包括形状记忆聚合物及复合材料的静力学研究、复合材料片层的动力学特性包括固有频率与阻尼比等受温度变化的影响以及充气管整体结构弯曲对折的应力分布研究和动力学分析。取得的主要研究成果如下:(1)以纤维编织复合材料计算时的域分离方法和复合材料层合理论为基础,将形状记忆聚合物的拉伸试验结果与查找的碳纤维编织布在不同温度下弹性性能变化数据为已知参数,利用MSCDigimat软件,对不同含碳量以及不同温度下的复合材料的弹性性能进行预测,并通过材料的动态力学分析(Dynamic Mechanical Analysis DMA)试验加以验证。分别预测了不同的铺层角度(0/90与45/45)所产生的不同的弹性性能,在相同温度下材料的弹性性能随含碳量增大而升高的变化规律以及相同含碳量复合材料的弹性模量随温度升高而下降的趋势。(2)以粘滞阻尼体系理论作为指导,利用模拟仿真与试验测试相互印证的手段,探究了碳纤维复合材料的动力学性能如固有频率以及阻尼比。在不同温度场的作用下,包括了全温度场与局部温度场,对复合材料片层的动力学性能的影响。随着温度的升高其固有频率会随之下降并且阻尼比随之上升。此外还探讨了温度作用在不同区域、不同面积所带来的不同变化,充分的体现了形状记忆复合材料动力学特性的可设计性。(3)设计并成功的制作出了形状记忆复合材料圆管,并于气动结构相结合制作出了空间展开充气管结构。该结构的密封性能良好,能够在4个大气压下不漏气。并且对复合材料圆管的对折过程进行了仿真,得到其在这个过程下的应力分布与支反力矩的大小,对其动力学特性进行振动试验加以验证,并对空间充气管回复展开进行功能性验证,为以后在特性工况的设计提供了参考。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

状态图,复合材料梁,薄壁,太阳翼

纤维增强刚性基体复合材料的薄壁型结构，经过特定方向刚度耦合设计后，能够产逡逑生较大的宏观挠度和角度变形（材料变形率仍然维持在１－２％之间），这种结构可用逡逑于空间自动展开结构。如图１－２，美国航天局（ＮＡＳＡ）和美国空军实验室（ＡＦＲＬ）研逡逑制的可折展太阳翼（ＲＯＳＡ）及其在轨验证，于２０１７年６月成功完成了在轨展开逡逑３８］逡逑0逡逑图１－２．邋ＮＡＳＡ和ＡＦＲＬ研制的可折展太阳翼及其在轨验证逡逑（ａ）常规刚性薄壁复合材料梁的卷曲收拢状态；（ｂ）常规刚性薄壁复合材料梁的展开状态；逡逑（ｃ）太阳能电池阵；（ｄ）未来应用于空间超大型太阳能电站；逡逑（ｅ）邋２０１７年６月１８日在国际空间站上的在轨展开验证过程逡逑－３邋－逡逑

可展开天线,形状记忆聚合物,铰链,复合材料

根据需要调节天线占用空间的大小。它是由美国ＣＴＤ公司研发的。当需要节省存逡逑储空间时，可将该天线的反射面折叠成伞型皱褶状结构，需要工作时，加热后该结逡逑构会展开成原始的抛物面形状，进入工作状态Ｐ９］如图１－３所示。逡逑ａ逦ｂ逡逑图１－３形状记忆复合材料可展开天线（ａ．折叠状态；ｂ．展开状态）［３９］逡逑＂ｘ逡逑图１－４邋ＳＭＰ复合材料片层可展开天线的实物图［４Ｑ］逡逑研究中心的杨鹏硕士等［４（）］，研制了形状记忆聚合物复合材料空间可展开天线逡逑结构如图１－４，其中，展开驱动器是采用的形状记忆复合材料可展开铰链结构。逡逑１．３．２形状记忆聚合物基复合材料可展开铰链逡逑美国ＣＴＤ公司利用环氧基形状记忆聚合物的碳纤维增强的复合材料制作了逡逑具有记忆功能的可展开铰链结构［４１］。利用碳纤维的导电性，对该铰链进行电加热。逡逑结构所受的温度可以根据电流的大小进行控制，当材料变软后弯折铰链到某一预逡逑先设定的角度，在保持外力的同时不再进行通电，此时铰链温度开始下降，当铰链逡逑的温度下降至其玻璃化转变温度（Ｔｇ）以下，确保铰链形状固定后，将外力撤去，此逡逑时的铰链形状能长期保持固定。若当铰链处于工作状态时，给铰链两端加电压，待逡逑材料温度上升至形状记忆聚合物Ｔｇ温度以上之后

太阳能电池阵,形状记忆,铰链,复合材料

作如下：逡逑研宄中心的博士兰鑫等，自主研制了具有形状记忆功能的可展开铰链［４气如逡逑图１－５所示为其成品图，图１－６是其无负载展开过程，并将其成功应用于空间可展逡逑开的太阳能电池阵，如图１－７所示。逡逑ａ逦ｂ逡逑图１－５形状记忆复合材料可展开铰链（ａ．折叠状态；ｂ．展开状态）％逡逑ＯＳ＾ｌ，逡逑ｈ邋ｉ邋Ｉ逡逑，邋Ｉｆ铰链展开过程图逡逑Ｈ：、邋一逡逑逦３Ｍ３１Ｂｌ＾２３ｉ邋ｉ逡逑图１－７形状记忆复合材料铰链驱动太阳能电池阵模型的展开过程

【参考文献】