發(fā)布時間：2020-11-05 19:32

　　 簧片鉸鏈結(jié)構(gòu)是連接微小衛(wèi)星太陽能帆板的重要構(gòu)件。它直接關(guān)系到衛(wèi)星運行性能和飛行任務(wù)的成敗。因而有必要對簧片鉸鏈力學(xué)性能進行相應(yīng)的探究,以及可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計。另一方面隨著航空航天任務(wù)對輕量化設(shè)計要求的不斷提高,具有質(zhì)量輕便、比強度和比剛度大等優(yōu)點的復(fù)合材料在航空航天任務(wù)中得到較好地應(yīng)用,為了更好適應(yīng)航空航天任務(wù)發(fā)展,在空間展開結(jié)構(gòu)中引入復(fù)合材料成為當下和未來的趨勢。因此,本課題對于簧片鉸鏈結(jié)構(gòu)進行力學(xué)性能分析以及結(jié)合復(fù)合材料對鉸鏈結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計研究具有重要的理論意義和較高的工程應(yīng)用價值。本課題主要從以下幾個方面對簧片鉸鏈結(jié)構(gòu)進行研究:(1)建立了簧片單元的力學(xué)模型,對其進行了純彎曲數(shù)值模擬,探究簧片單元折疊展開的彎矩變化規(guī)律,并和經(jīng)典彎矩理論曲線進行了對比分析;采用實驗方法進行了實驗驗證。另一方面,通過Sobol敏感性方法、主次因素分析方法對力學(xué)性能進行了參數(shù)敏感性分析,進一步研究了力學(xué)性能隨幾何參數(shù)(長度,半徑,厚度,截面圓心角)的變化規(guī)律,確定了影響簧片力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù);(2)建立了簧片鉸鏈結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,分析了準靜態(tài)數(shù)值模擬方法參數(shù)對簧片鉸鏈力學(xué)性能精度的影響規(guī)律,結(jié)合計算效率確定了完整數(shù)值方法的關(guān)鍵參數(shù)。分析了簧片鉸鏈的展開性能,并通過實驗進行了結(jié)構(gòu)可行性驗證。通過參數(shù)敏感性分析方法確定了影響簧片鉸鏈力學(xué)性能的關(guān)鍵幾何參數(shù)。基于響應(yīng)面方法建立了簧片鉸鏈結(jié)構(gòu)單目標和多目標優(yōu)化設(shè)計模型并進行了求解。建立了針對簧片鉸鏈結(jié)構(gòu)從設(shè)計、分析、驗證、再到設(shè)計的完整分析方法;(3)建立了鋪層復(fù)合材料簧片結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,采用二維Hashin失效分析預(yù)測了復(fù)合材料用于簧片結(jié)構(gòu)的可行性。通過TexGen軟件建立了平紋織物的代表體元模型,通過均勻化方法獲取等效彈性常數(shù),結(jié)合經(jīng)典層合板理論計算了鋪層剛度矩陣,研究了編織復(fù)合材料簧片力學(xué)性能變化規(guī)律;建立了雙穩(wěn)態(tài)鋪層簧片結(jié)構(gòu)模型,并研究了力學(xué)性能的變化規(guī)律�；陧憫�(yīng)面方法建立了雙穩(wěn)態(tài)簧片結(jié)構(gòu)的多目標優(yōu)化設(shè)計模型,并采用改進的非支配排序遺傳算法進行了優(yōu)化模型的求解,獲得了可行解分布。(4)根據(jù)上述分析,基于ABAQUS平臺,采用Python語言編寫了雙穩(wěn)態(tài)和編織復(fù)合材料簧片建模和分析程序,實現(xiàn)了復(fù)合材料簧片參數(shù)化建模和分析的模塊化設(shè)計。
【學(xué)位單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V442;V414
【部分圖文】：

結(jié)構(gòu)的應(yīng)用涵蓋包括火箭連接、衛(wèi)星的太陽帆板、通訊天線、陽以及空間站的可展桁架等領(lǐng)域。上世紀可展開結(jié)構(gòu)便開始應(yīng)，至今對于其研究和應(yīng)用經(jīng)歷了較長的時期。展開結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的伸展、板件的折疊展開，發(fā)展到膜的充氣硬化等實現(xiàn)形式；發(fā)展到依靠自身驅(qū)動或者由光、熱、電致材料本身可變形等形結(jié)構(gòu)，無論在尺寸、伸展概念、所用材料，還是應(yīng)用領(lǐng)域上都。由于運載火箭空間及運載能力的限制，大型天線、太陽能帆送入太空，然后按預(yù)定展開、組裝成所設(shè)計的幾何構(gòu)形。從壓工作是一個過渡性的過程，其中存在不可控的太空因素影響，展開不僅直接關(guān)系到空間飛行器的運行性能，甚至關(guān)系到飛行史上出現(xiàn)多次航天器不能順利工作的事故，且均由空間展開結(jié)致�？臻g展開結(jié)構(gòu)在其工作過程中出現(xiàn)事故的不可控會導(dǎo)致巨間探測任務(wù)失敗。因此，進行空間可展結(jié)構(gòu)展開可靠性的研究中關(guān)鍵的一步。

Fig.1-2 Tape spring hinge目前較新穎的一種展開結(jié)構(gòu)是簧片式鉸鏈，此結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單、質(zhì)量輕便，使其在空間展開結(jié)構(gòu)中具有較為廣闊的應(yīng)用前景。如圖1-2所示，分別為實際應(yīng)用中單簧片和簧片式鉸鏈結(jié)構(gòu)�；善且环N開口圓柱殼結(jié)構(gòu)，它在折疊過程中儲存應(yīng)變能，釋放后可實現(xiàn)自動展開；在展開之后，又能夠依靠自身的剛度實現(xiàn)自動鎖定，從而在展開結(jié)構(gòu)中不需要額外的驅(qū)動和鎖定裝置，大大簡化展開結(jié)構(gòu)設(shè)計�；善Y(jié)構(gòu)這種獨特的力學(xué)性能在如太陽帆板等結(jié)構(gòu)上得到了較好的應(yīng)用�；善钦归_結(jié)構(gòu)中的重要單元，其工作的穩(wěn)定性制約著展開結(jié)構(gòu)的運動精度和穩(wěn)定性，因此對于簧片的研究就顯的非常重要，但簧片結(jié)構(gòu)在實際的工作中，它的力學(xué)性能受到較多因素影響，對簧片在實際運作的模擬有著較大的挑戰(zhàn)航天任務(wù)成本昂貴

a)和 b) 管式簧片鉸鏈 c), d)和 e) 組合式簧片鉸鏈a) and b) Tube hinges c), d) and e) Tape spring hinges圖 1-4 典型簧片式鉸鏈示意圖Fig.1-4 Typical tape spring hinges組合簧片鉸鏈方面，結(jié)構(gòu)形式分為雙簧片結(jié)構(gòu)、三簧片以及多簧片重點主要集中于結(jié)構(gòu)的可行性結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于雙簧片鉸鏈，有采用片組合而成的跳躍結(jié)構(gòu)[33]，也有平行布局的雙簧片結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)對于三簧片結(jié)構(gòu)鉸鏈，首先探究的是其作為展開結(jié)構(gòu)的可行性，這三簧片鉸鏈作為展開結(jié)構(gòu)所需要的最小展開、鎖定彎矩等給出了實結(jié)構(gòu)可行性分基礎(chǔ)上，其次要探究的是鉸鏈彎曲折疊力學(xué)性能以及其中包括 Hoffait[36]提出了一種簧片鉸鏈設(shè)計有限元模型，該模型動定位和鎖定，并且分析了該模型屈曲和滯后現(xiàn)象，而通過詳細的后該現(xiàn)象最終可歸結(jié)為簧片的自鎖能力。此外還有 Kim 和 Park[37]于多體動力學(xué)仿真，來驅(qū)動太陽能帆板的展開，同時還給出了運動
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 葉紅玲;趙春華;胡騰;肖燕妮;;單簧片折疊過程中的力學(xué)性能及參數(shù)影響分析[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報;2015年07期

2 宣基燦;關(guān)富玲;王俊;;空間可展結(jié)構(gòu)卷尺彈簧純彎曲過程中的屈服控制[J];空間結(jié)構(gòu);2009年04期

3 張立新;隋允康;杜家政;;基于響應(yīng)面方法的結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報;2007年02期

4 李善坡;隋允康;;響應(yīng)面方法在二維連續(xù)體形狀優(yōu)化中的應(yīng)用[J];力學(xué)與實踐;2006年02期

5 隋允康;白海波;;基于中心點精確響應(yīng)面法的板殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J];機械設(shè)計;2005年11期

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1 趙春華;單簧片式空間展開結(jié)構(gòu)的屈曲力學(xué)性能分析及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[D];北京工業(yè)大學(xué);2016年

本文編號：2872084