可伸展太阳帆结构力学行为与帆面制备技术

发布时间：2017-11-09 11:09

  本文关键词：可伸展太阳帆结构力学行为与帆面制备技术

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【摘要】：近年来太阳帆作为一种新型航天器逐渐成为人们关注的焦点。依靠太阳光压作为推动力和控制力,不携带任何能源,不产生太空垃圾,不受燃料约束,可以实现更远距离深空探测、行星或彗星等的取样返回、太阳极点观测等任务。本文以“豆荚杆为支撑构件和Kapton薄膜为膜面材料”的太阳帆为研究对象,综合运用理论、试验和数值分析等方法对太阳帆结构的力学行为和帆面制作技术进行了研究。主要内容包括太阳帆整体结构力学特性分析、Kapton膜面折叠力学行为分析与试验、薄壁CFRP豆荚杆悬臂梁屈曲分析及试验以及太阳帆制备工艺与方法及测试。首先,对太阳帆整体建立有限元模型,在对单根悬臂豆荚杆进行线性特征值轴压屈曲和悬臂屈曲分析基础上,对整体结构力学特征进行分析,模拟太阳帆完全展开时在光压作用下膜面的变形和支撑结构静力响应,探讨膜面张力合理范围以及膜面张力对太阳帆结构刚度的影响。其次,为了更好地压缩折叠薄膜,需要对薄膜折叠力学行为有深入的了解。基于线弹性工程理论对薄膜S型折叠方式进行了研究,推导得到相邻接触薄膜反弹力与薄膜折叠间距的关系式,采用ABAQUS有限元软件进行对折叠过程数值模拟分析,在掌握S型折叠方式相关特性的基础上,进行材料试验和折叠结构试验,并对三种方式所得到的结果进行对比分析,对薄膜折叠有一定的参考价值。再次,太阳帆结构支撑构件豆荚杆工作时处于悬臂状态,为掌握空间薄壁CFRP豆荚杆悬臂受力性能,对豆荚杆悬臂梁进行末端加载试验,得到了非线性屈曲荷载及屈曲特性。利用有限元软件先进行线性特征值屈曲分析,并引入一致特征值屈曲模态作为初始几何缺陷进行非线性屈曲模拟,得到豆荚杆悬臂梁屈曲临界载荷及非线性屈曲特性,与试验结果进行对比分析。基于试验和模拟分析,进一步对豆荚杆相关设计参数进行探究,得到各参数对豆荚杆悬臂梁非线性屈曲临界载荷的影响。对悬臂薄壁CFRP豆荚杆的设计和应用具有重要参考价值。最后,对大面积太阳帆面制备工艺与方法进行研究,为获得表面平整、光滑、无斑点和无皱纹的大面积热塑性聚酰亚胺薄膜帆,需要采用焊头连续行走方式的电阻直热式焊机进行高温焊接,目前暂无相关产品。在明确技术要求基础上,设计了新型焊接机系统,并对焊接制备的太阳帆膜面进行试验验证。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V414;V442

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本文编号：1161605