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

发布时间：2017-08-31 12:35

  本文关键词：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

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【摘要】：单簧片式空间可展柔性结构以其结构简单、质量轻、无摩擦、能够自动展开和自锁等诸多优点在大型航天空间可展结构中具有广阔的应用前景。作为一种开口圆柱薄壳结构,簧片受载时很可能在未达到强度破坏前就已经发生失稳。因此,簧片结构的稳定性直接关系到空间展开结构整体的承载能力,也是决定飞行器能否正常工作的关键。本课题对于单簧片结构的屈曲力学性能进行研究和优化设计具有非常重要的意义和工程应用价值。本文主要从以下几个方面对单簧片结构的屈曲问题进行研究:(1)根据弹性薄壳弯曲理论建立了单簧片结构纯弯状态下的力学模型,通过理论分析和实验的方法研究了簧片正反向折叠过程中弯矩随弯曲角度的变化规律。基于有限元软件ABAQUS采用数值模拟方法分析了簧片厚度、截面圆心角、半径、长度对稳态弯矩和折叠后储存应变能大小的影响规律,并将数值模拟结果与实验结果进行了对比分析,确定了关键影响参数。(2)建立了单簧片结构两端受轴向压缩状态下的有限元模型,采用数值模拟方法对两种不同工况下受压簧片结构的屈曲过程进行了非线性有限元分析。考虑了结构两端简支和两端固支两种工况。采用修正的弧长法,通过引入初始几何缺陷,研究了缺陷尺寸和簧片厚度、截面圆心角、半径、长度对结构屈曲承载能力和后屈曲行为的影响规律。另外,采用CSS-1110型电子万能试验机对单簧片结构进行了压缩实验,将数值模拟结果与实验结果进行了对比分析。(3)基于响应面方法,建立了以单簧片结构厚度、截面圆心角、半径、长度为设计变量,分别以结构驱动能力和屈曲承载能力为目标的优化模型,并进行了优化求解。采用最大差值最小化响应面拟合方法建立了目标函数和约束函数与设计变量之间的关系,利用内点法对优化模型进行了求解,实现了单簧片式空间可展结构的参数优化设计。同时,在上述优化理论和算法的基础上,以ABAQUS软件为求解器,以MATLAB软件为开发平台,利用MATLAB和Python语言编写二次开发程序,实现了单簧片式空间展开结构的模块化设计。
【关键词】：空间可展柔性结构 簧片 屈曲分析 驱动能力 屈曲承载能力 参数优化设计
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V414
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 选题背景与研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状与分析11-17
• 1.2.1 开口圆柱薄壳结构屈曲力学性能的研究12-14
• 1.2.2 单簧片式空间展开结构力学性能的研究14-15
• 1.2.3 单簧片式空间展开结构优化设计的研究15-17
• 1.3 本文主要研究内容17-20
• 第2章 基本理论概述20-36
• 2.1 结构稳定性理论基础20-24
• 2.1.1 结构稳定性的基本概念20-21
• 2.1.2 壳体结构屈曲分析基本理论21-23
• 2.1.3 大变形问题23-24
• 2.2 响应面方法的基本理论24-31
• 2.2.1 最大差值极小化响应面拟合方法24-28
• 2.2.2 实验设计方法28-30
• 2.2.3 响应面拟合精度检验30-31
• 2.3 有限元法概述31-34
• 2.3.1 有限元法的基本原理31
• 2.3.2 有限元法的分析过程31-32
• 2.3.3 有限元法的软件实现32-34
• 2.4 本章小结34-36
• 第3章 单簧片结构纯弯状态下的屈曲分析与参数影响研究36-46
• 3.1 单簧片结构纯弯状态下模型的建立36-37
• 3.1.1 几何模型36
• 3.1.2 力学模型36-37
• 3.2 单簧片结构纯弯状态下屈曲的仿真分析37-38
• 3.3 单簧片结构纯弯状态下屈曲的实验验证38-41
• 3.4 几何参数对单簧片结构纯弯状态下屈曲的影响分析41-43
• 3.4.1 厚度的影响分析41-42
• 3.4.2 截面圆心角的影响分析42
• 3.4.3 长度的影响分析42-43
• 3.4.4 半径的影响分析43
• 3.5 本章小结43-46
• 第4章 单簧片结构受轴向压缩载荷作用下的屈曲分析与参数影响研究46-68
• 4.1 单簧片结构两端简支受轴压作用下的屈曲分析46-57
• 4.1.1 有限元模型的建立46-47
• 4.1.2 单簧片结构两端简支受轴压作用下屈曲的仿真分析47-49
• 4.1.3 单簧片结构两端简支受轴压作用下屈曲的参数影响分析49-57
• 4.2 单簧片结构两端固支受轴压作用下的屈曲分析57-65
• 4.2.1 有限元模型的建立57-58
• 4.2.2 单簧片结构两端固支受轴压作用下屈曲的仿真分析58-59
• 4.2.3 实验验证59-60
• 4.2.4 单簧片结构两端固支受轴压作用下屈曲的参数影响分析60-65
• 4.3 本章小结65-68
• 第5章 单簧片式空间展开结构驱动能力优化设计68-82
• 5.1 优化模型的建立68-70
• 5.1.1 设计变量68-69
• 5.1.2 目标函数69
• 5.1.3 约束条件69
• 5.1.4 收敛条件69
• 5.1.5 优化模型69-70
• 5.2 优化模型求解70-76
• 5.2.1 非线性规划问题及内点法理论70-71
• 5.2.2 优化流程71-73
• 5.2.3 软件二次开发73-76
• 5.3 数值算例76-80
• 5.3.1 目标函数与约束函数显式化76-77
• 5.3.2 目标函数与约束函数响应面拟合精度检验77-78
• 5.3.3 优化结果与分析78-80
• 5.4 本章小结80-82
• 第6章 单簧片式空间展开结构屈曲承载能力优化设计82-92
• 6.1 优化模型的建立83-85
• 6.1.1 设计变量83-84
• 6.1.2 目标函数84
• 6.1.3 约束条件84
• 6.1.4 收敛条件84
• 6.1.5 优化模型84-85
• 6.2 优化模型的求解85-87
• 6.2.1 优化流程85
• 6.2.2 软件二次开发85-87
• 6.3 数值算例87-90
• 6.3.1 目标函数与约束函数显式化88-89
• 6.3.2 目标函数与约束函数响应面拟合精度检验89
• 6.3.3 优化结果与分析89-90
• 6.4 本章小结90-92
• 结论92-94
• 参考文献94-100
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文100-102
• 致谢102

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本文编号：765634