柔性薄膜褶皱变形的散斑实验与有限元数值模拟

发布时间：2020-04-11 01:34

【摘要】：柔性薄膜因其轻质、柔性的特点,被广泛应用到航天工程、柔性微电子等领域,在人类社会生活中扮演着越来越重要的角色。褶皱是薄膜结构中最为常见的一种形态,其对薄膜结构有着重要的影响,在航空航天领域中褶皱的产生被认为是一种失效形式。与其在航天工程中的应用有所不同,在柔性微电子领域,褶皱的存在对柔性薄膜电路结构本身是有利的,通过对薄膜褶皱的控制,可以调节柔性薄膜器件的性能。在不同的领域中,对薄膜褶皱的存在、薄膜褶皱的分布区域甚至褶皱幅值都有着不同的要求。本文以此为研究背景,进行了以下三方面的研究工作:在实验方面,采用数字散斑测试系统及配备恒温试验箱的拉伸试验机,对不同温度条件下的Kapton薄膜标准试件进行拉伸实验,得到材料应力-应变曲线,并计算出不同温度下的材料弹性模量,为后续数值模拟提供材料参数。对不同温度及不同厚度条件下的方膜进行拉伸褶皱实验,通过实验得到不同温度下薄膜褶皱波长,褶皱幅度,确定发生褶皱的皱曲临界载荷等。研究温度、厚度等因素对薄膜褶皱细节的影响。并对薄膜结构中褶皱的产生以及演变过程进行研究。文中还对不同开孔数量的方形薄膜进行了拉伸实验,研究不同开孔数对薄膜褶皱的影响。实验采用的数字图像相关方法通过捕捉薄膜表面特征散斑变形前后的位置变化,得到特征散斑的位移。在处理实验数据的过程中,涉及坐标系的转换,通过MATLAB软件对数据进行处理,可以有效减小实验误差。在数值模拟方面,首先介绍薄膜褶皱数值模拟的相关理论。利用ABAQUS软件,基于线弹性材料模型建立了方膜数值模型,对方膜拉伸褶皱问题进行有限元非线性仿真分析,并将数值模拟结果与实验测试结果进行了比较分析,验证了数值模拟的正确性。同时,对带孔薄膜竖直拉伸及矩形膜剪切进行了褶皱变形数值模拟。本文还对薄膜褶皱变形数值模拟的收敛性进行了分析,给出了提高收敛性的建议和措施。
【图文】：

1 绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 柔性薄膜在航天工程中的应用随着航天工程的大力发展，，超大超轻型空间结构越来越受关注，柔性薄膜因其轻质、可折叠和易展开等优点而备受青睐，已经被广泛用作空间太阳能电池帆板、大型充气反射天线和太空防护结构等关键航天器部件[1,2]。早在上个世纪 60 年代，Goodyear 公司就为 NASA 研制出了 Echo Balloons 系列充气卫星（图 1.1），该卫星由镀有铝层的 Mylar 薄膜制成，直径为 30 米，并在 1962 年首次完成了航天任务[3]。1996 年，NASA 在“斯巴达人”航天器上进行了充气天线实验（图 1.2），天线的反射面由 62 个镀铝聚酯薄膜膜片组成，形面精度为 1 毫米[4]。进入 21 世纪以来，随着深空探测任务对飞行器长时间可持续运载能力需求的日益迫切，很多国家都已开始对太阳帆技术的论证和研制，从而给空间柔性薄膜结构带来了更为广阔的应用前景[5]。

充气天线

1 绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 柔性薄膜在航天工程中的应用随着航天工程的大力发展，超大超轻型空间结构越来越受关注，柔性薄膜因其轻质、可折叠和易展开等优点而备受青睐，已经被广泛用作空间太阳能电池帆板、大型充气反射天线和太空防护结构等关键航天器部件[1,2]。早在上个世纪 60 年代，Goodyear 公司就为 NASA 研制出了 Echo Balloons 系列充气卫星（图 1.1），该卫星由镀有铝层的 Mylar 薄膜制成，直径为 30 米，并在 1962 年首次完成了航天任务[3]。1996 年，NASA 在“斯巴达人”航天器上进行了充气天线实验（图 1.2），天线的反射面由 62 个镀铝聚酯薄膜膜片组成，形面精度为 1 毫米[4]。进入 21 世纪以来，随着深空探测任务对飞行器长时间可持续运载能力需求的日益迫切，很多国家都已开始对太阳帆技术的论证和研制，从而给空间柔性薄膜结构带来了更为广阔的应用前景[5]。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V414.9

【参考文献】