金属和复合材料可展簧片铰链力学性能分析及优化设计
发布时间：2020-11-05 19:32
簧片铰链结构是连接微小卫星太阳能帆板的重要构件。它直接关系到卫星运行性能和飞行任务的成败。因而有必要对簧片铰链力学性能进行相应的探究,以及可靠的结构设计。另一方面随着航空航天任务对轻量化设计要求的不断提高,具有质量轻便、比强度和比刚度大等优点的复合材料在航空航天任务中得到较好地应用,为了更好适应航空航天任务发展,在空间展开结构中引入复合材料成为当下和未来的趋势。因此,本课题对于簧片铰链结构进行力学性能分析以及结合复合材料对铰链结构进行优化设计研究具有重要的理论意义和较高的工程应用价值。本课题主要从以下几个方面对簧片铰链结构进行研究:(1)建立了簧片单元的力学模型,对其进行了纯弯曲数值模拟,探究簧片单元折叠展开的弯矩变化规律,并和经典弯矩理论曲线进行了对比分析;采用实验方法进行了实验验证。另一方面,通过Sobol敏感性方法、主次因素分析方法对力学性能进行了参数敏感性分析,进一步研究了力学性能随几何参数(长度,半径,厚度,截面圆心角)的变化规律,确定了影响簧片力学性能的关键参数;(2)建立了簧片铰链结构的力学模型,分析了准静态数值模拟方法参数对簧片铰链力学性能精度的影响规律,结合计算效率确定了完整数值方法的关键参数。分析了簧片铰链的展开性能,并通过实验进行了结构可行性验证。通过参数敏感性分析方法确定了影响簧片铰链力学性能的关键几何参数。基于响应面方法建立了簧片铰链结构单目标和多目标优化设计模型并进行了求解。建立了针对簧片铰链结构从设计、分析、验证、再到设计的完整分析方法;(3)建立了铺层复合材料簧片结构的力学模型,采用二维Hashin失效分析预测了复合材料用于簧片结构的可行性。通过TexGen软件建立了平纹织物的代表体元模型,通过均匀化方法获取等效弹性常数,结合经典层合板理论计算了铺层刚度矩阵,研究了编织复合材料簧片力学性能变化规律;建立了双稳态铺层簧片结构模型,并研究了力学性能的变化规律。基于响应面方法建立了双稳态簧片结构的多目标优化设计模型,并采用改进的非支配排序遗传算法进行了优化模型的求解,获得了可行解分布。(4)根据上述分析,基于ABAQUS平台,采用Python语言编写了双稳态和编织复合材料簧片建模和分析程序,实现了复合材料簧片参数化建模和分析的模块化设计。
【学位单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V442;V414
【部分图文】：
结构的应用涵盖包括火箭连接、卫星的太阳帆板、通讯天线、阳以及空间站的可展桁架等领域。上世纪可展开结构便开始应，至今对于其研究和应用经历了较长的时期。展开结构的结构的伸展、板件的折叠展开，发展到膜的充气硬化等实现形式；发展到依靠自身驱动或者由光、热、电致材料本身可变形等形结构，无论在尺寸、伸展概念、所用材料，还是应用领域上都。由于运载火箭空间及运载能力的限制，大型天线、太阳能帆送入太空，然后按预定展开、组装成所设计的几何构形。从压工作是一个过渡性的过程，其中存在不可控的太空因素影响，展开不仅直接关系到空间飞行器的运行性能，甚至关系到飞行史上出现多次航天器不能顺利工作的事故，且均由空间展开结致。空间展开结构在其工作过程中出现事故的不可控会导致巨间探测任务失败。因此，进行空间可展结构展开可靠性的研究中关键的一步。
Fig.1-2 Tape spring hinge目前较新颖的一种展开结构是簧片式铰链，此结构构造简单、质量轻便，使其在空间展开结构中具有较为广阔的应用前景。如图1-2所示，分别为实际应用中单簧片和簧片式铰链结构。簧片是一种开口圆柱壳结构，它在折叠过程中储存应变能，释放后可实现自动展开；在展开之后，又能够依靠自身的刚度实现自动锁定，从而在展开结构中不需要额外的驱动和锁定装置，大大简化展开结构设计。簧片结构这种独特的力学性能在如太阳帆板等结构上得到了较好的应用。簧片是展开结构中的重要单元，其工作的稳定性制约着展开结构的运动精度和稳定性，因此对于簧片的研究就显的非常重要，但簧片结构在实际的工作中，它的力学性能受到较多因素影响，对簧片在实际运作的模拟有着较大的挑战航天任务成本昂贵
a)和 b) 管式簧片铰链 c), d)和 e) 组合式簧片铰链a) and b) Tube hinges c), d) and e) Tape spring hinges图 1-4 典型簧片式铰链示意图Fig.1-4 Typical tape spring hinges组合簧片铰链方面，结构形式分为双簧片结构、三簧片以及多簧片重点主要集中于结构的可行性结构设计。对于双簧片铰链，有采用片组合而成的跳跃结构[33]，也有平行布局的双簧片结构，用于实现对于三簧片结构铰链，首先探究的是其作为展开结构的可行性，这三簧片铰链作为展开结构所需要的最小展开、锁定弯矩等给出了实结构可行性分基础上，其次要探究的是铰链弯曲折叠力学性能以及其中包括 Hoffait[36]提出了一种簧片铰链设计有限元模型，该模型动定位和锁定，并且分析了该模型屈曲和滞后现象，而通过详细的后该现象最终可归结为簧片的自锁能力。此外还有 Kim 和 Park[37]于多体动力学仿真，来驱动太阳能帆板的展开，同时还给出了运动
【参考文献】
本文编号：2872084
【学位单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V442;V414
【部分图文】：
结构的应用涵盖包括火箭连接、卫星的太阳帆板、通讯天线、阳以及空间站的可展桁架等领域。上世纪可展开结构便开始应，至今对于其研究和应用经历了较长的时期。展开结构的结构的伸展、板件的折叠展开，发展到膜的充气硬化等实现形式；发展到依靠自身驱动或者由光、热、电致材料本身可变形等形结构，无论在尺寸、伸展概念、所用材料，还是应用领域上都。由于运载火箭空间及运载能力的限制，大型天线、太阳能帆送入太空，然后按预定展开、组装成所设计的几何构形。从压工作是一个过渡性的过程，其中存在不可控的太空因素影响，展开不仅直接关系到空间飞行器的运行性能，甚至关系到飞行史上出现多次航天器不能顺利工作的事故，且均由空间展开结致。空间展开结构在其工作过程中出现事故的不可控会导致巨间探测任务失败。因此，进行空间可展结构展开可靠性的研究中关键的一步。
Fig.1-2 Tape spring hinge目前较新颖的一种展开结构是簧片式铰链，此结构构造简单、质量轻便，使其在空间展开结构中具有较为广阔的应用前景。如图1-2所示，分别为实际应用中单簧片和簧片式铰链结构。簧片是一种开口圆柱壳结构，它在折叠过程中储存应变能，释放后可实现自动展开；在展开之后，又能够依靠自身的刚度实现自动锁定，从而在展开结构中不需要额外的驱动和锁定装置，大大简化展开结构设计。簧片结构这种独特的力学性能在如太阳帆板等结构上得到了较好的应用。簧片是展开结构中的重要单元，其工作的稳定性制约着展开结构的运动精度和稳定性，因此对于簧片的研究就显的非常重要，但簧片结构在实际的工作中，它的力学性能受到较多因素影响，对簧片在实际运作的模拟有着较大的挑战航天任务成本昂贵
a)和 b) 管式簧片铰链 c), d)和 e) 组合式簧片铰链a) and b) Tube hinges c), d) and e) Tape spring hinges图 1-4 典型簧片式铰链示意图Fig.1-4 Typical tape spring hinges组合簧片铰链方面，结构形式分为双簧片结构、三簧片以及多簧片重点主要集中于结构的可行性结构设计。对于双簧片铰链，有采用片组合而成的跳跃结构[33]，也有平行布局的双簧片结构，用于实现对于三簧片结构铰链，首先探究的是其作为展开结构的可行性，这三簧片铰链作为展开结构所需要的最小展开、锁定弯矩等给出了实结构可行性分基础上，其次要探究的是铰链弯曲折叠力学性能以及其中包括 Hoffait[36]提出了一种簧片铰链设计有限元模型，该模型动定位和锁定，并且分析了该模型屈曲和滞后现象，而通过详细的后该现象最终可归结为簧片的自锁能力。此外还有 Kim 和 Park[37]于多体动力学仿真，来驱动太阳能帆板的展开，同时还给出了运动
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 叶红玲;赵春华;胡腾;肖燕妮;;单簧片折叠过程中的力学性能及参数影响分析[J];北京工业大学学报;2015年07期
2 宣基灿;关富玲;王俊;;空间可展结构卷尺弹簧纯弯曲过程中的屈服控制[J];空间结构;2009年04期
3 张立新;隋允康;杜家政;;基于响应面方法的结构耐撞性优化[J];北京工业大学学报;2007年02期
4 李善坡;隋允康;;响应面方法在二维连续体形状优化中的应用[J];力学与实践;2006年02期
5 隋允康;白海波;;基于中心点精确响应面法的板壳结构优化[J];机械设计;2005年11期
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1 赵春华;单簧片式空间展开结构的屈曲力学性能分析及参数优化设计[D];北京工业大学;2016年
本文编号：2872084
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