仿生充气可展开结构的设计与研究

发布时间：2017-05-27 10:18

  本文关键词：仿生充气可展开结构的设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：可展结构作为一种重要结构，，无论是在军事上还是在航天领域中都有广泛的应用。由于受到运输系统的体积和成本限制，可展结构通常要求较大的展开/收缩体积比或面积比及极高的可靠性，这就使得可展结构的研发面临一系列理论、方法和技术等方面的挑战。 将仿生学原理应用在展开结构当中，这对于展开结构来说是一个新的设计理念，对仿生学来说又将会是一个新的研究方向。这种新型仿生展开结构设计需要对传统的展开结构进行广泛而深入的研究，综合考虑展开结构的展开机理与构型，汲取仿生学在其他研究领域当中的成功经验。自然界中昆虫种类繁多，但蝴蝶的羽化发育过程较为典型，因此本文针对如何根据蝴蝶翅膀的羽化发育机理设计新型展开结构展开了深入研究，研究内容主要包括以下三方面： （1）首先对蝴蝶羽化发育机理进行深入的研究。蝴蝶翅膀的发育经历了蛹内发育与蛹外发育两个过程，蛹内发育主要为蝴蝶翅膀中翅脉的形成。蛹外发育时间相对于蛹内发育较短，其主要过程是翅脉不断地充注液体，使得翅膀得以展开，这一过程为仿生可展开结构的设计提供了较好的生物学模型。 （2）根据蝴蝶翅膀的特点建立展开结构的仿真模型。将仿真模型进行网格划分，有限元前处理后导出K文件，计算结构仿真参数，根据计算结果修改K文件，修改完毕后递交求解器求解，最后可以查看仿生充气可展开结构的仿真结果。仿真结果显示结构可以顺利展开，且展开过程比较稳定。据此制作了样机模型，并且进行充气展开实验。 （3）针对已制作样机存在的不足，对样机模型进行拓扑优化，设计另一种具有更好结构性能的样机。对模型进行有限元分析，确定虚拟样机的最终构型。最后制作样机，并且对样机进行充气展开实验。通过实验验证，进一步证明了仿生充气可展开结构的可行性。
【关键词】：展开结构 仿生 充气 蝴蝶 仿真分析
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH122;TB17
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目录9-12
• 第1章 绪论12-27
• 1.1 研究目的和意义12-13
• 1.2 国内外研究现状及发展动态13-24
• 1.2.1 国内研究现状13-14
• 1.2.2 国外研究现状14-24
• 1.3 研究内容及技术路线24-26
• 1.4 论文总体结构26-27
• 第2章 基于蝴蝶翅膀的展开机理研究27-40
• 2.1 展开结构概述27-28
• 2.1.1 展开结构简介27
• 2.1.2 展开结构的分类27-28
• 2.2 仿生学概述28-32
• 2.2.1 仿生学的概念与发展28-30
• 2.2.2 仿生学的应用领域30-31
• 2.2.3 仿生学的设计理念31-32
• 2.3 仿生学与展开结构32-36
• 2.3.1 传统仿生学展开结构33-34
• 2.3.2 新型仿生学展开结构34-36
• 2.4 蝴蝶羽化发育展开机理36-39
• 2.4.1 蝴蝶翅膀蛹内发育过程36-39
• 2.4.2 蝴蝶翅膀蛹外发育过程39
• 2.5 本章小结39-40
• 第3章 仿生充气可展开结构的仿真与分析40-72
• 3.1 建立展开机构的仿真模型40-42
• 3.2 展开结构的网格划分42-48
• 3.2.1 HyperMesh 软件简介42-44
• 3.2.2 模型的导入与网格的划分44-47
• 3.2.3 模型的导出47-48
• 3.3 展开结构的有限元处理48-52
• 3.3.1 ANSYS/LS-DYNA 软件简介与分析步骤48-49
• 3.3.2 模型前处理49-51
• 3.3.3 模型的加载与输出51-52
• 3.4 仿真参数的计算52-66
• 3.4.1 计算结构充气压力52-53
• 3.4.2 结构展开弯矩53-55
• 3.4.3 结构薄壁处应力计算55-64
• 3.4.4 结构强度校核64-66
• 3.5 修改 K 文件66
• 3.6 LS-DYNA SOLVER 求解与 LS-PREPOST 后处理66-68
• 3.7 展开轨迹分析68-70
• 3.7.1 空间轨迹曲线68-69
• 3.7.2 各坐标对时间的曲线拟合69-70
• 3.8 制作样机模型70-71
• 3.9 本章小结71-72
• 第4章 仿生充气可展开结构的优化设计72-88
• 4.1 结构优化的基本思路72-73
• 4.2 结构优化的基本过程73-75
• 4.3 充气可展开结构的拓扑优化75-78
• 4.3.1 拓扑优化的定义75
• 4.3.2 拓扑优化的基本步骤75-76
• 4.3.3 优化充气结构的初级构型76-78
• 4.4 建立仿生充气可展开结构78-79
• 4.5 整体结构的有限元分析79-87
• 4.5.1 展开结构应力分析80-81
• 4.5.2 展开结构模态分析81-82
• 4.5.3 展开结构谱分析82-85
• 4.5.4 展开结构振动分析85-86
• 4.5.5 展开结构谐响应分析86-87
• 4.6 本章小结87-88
• 第5章 仿生充气可展开结构的实验与分析88-93
• 5.1 展开结构的样机制作88-91
• 5.1.1 展开结构动力来源88-89
• 5.1.2 模型材料的选择以及结构特点89-91
• 5.2 样机展开实验91-92
• 5.3 实验过程及结果92
• 5.3.1 实验过程92
• 5.3.2 实验结果92
• 5.4 本章小结92-93
• 结论93-95
• 参考文献95-102
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果102-103
• 致谢103-104

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 徐彦;关富玲;;可展开薄膜结构折叠方式和展开过程研究[J];工程力学;2008年05期

2 张玉珠,李建国;可伸缩式转移居住舱结构方案的探讨[J];飞机设计;2002年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 徐彦;充气可展开天线精度及展开过程分析研究[D];浙江大学;2009年

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本文编号：399656