隨著人類對(duì)外太空的不斷探索,對(duì)地球以外的星球的探測(cè)任務(wù)的逐步深入,很多航天學(xué)者提出了建立地球以外的月球、火星等載人探測(cè)基地的設(shè)想。相比于現(xiàn)有的載人艙段結(jié)構(gòu)形式,張拉式艙段結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、可展開、可擴(kuò)展和材料利用率高的特點(diǎn)。本文對(duì)張拉式艙段結(jié)構(gòu)的構(gòu)型、力學(xué)性能和參數(shù)優(yōu)化等問題進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析,并結(jié)合原理樣機(jī)的研制進(jìn)行了理論驗(yàn)證。本文借助折紙藝術(shù)的靈感提出了雙螺旋平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),建立結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)矩陣、構(gòu)件矩陣和構(gòu)件連接矩陣。添加相應(yīng)的邊界條件,得到了圓柱結(jié)構(gòu)和中空環(huán)形結(jié)構(gòu),改變節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo),獲得不同截面的結(jié)構(gòu),豐富了構(gòu)型種類。在此基礎(chǔ)上,提出了三種折展方式,并分析了其優(yōu)劣。其次,針對(duì)張拉整體結(jié)構(gòu)非線性大變形以及結(jié)構(gòu)本身的受力特點(diǎn),推導(dǎo)了符合其結(jié)構(gòu)特性的切線剛度矩陣。提出了一種微小外載荷疊加的方法進(jìn)行靜力學(xué)分析,并利用三桿基本單元從理論計(jì)算和軟件分析進(jìn)行了相互驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,利用ANSYS對(duì)雙螺旋張拉整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,得到了結(jié)構(gòu)在壓縮、彎曲和彎扭復(fù)合載荷下節(jié)點(diǎn)位移的變化趨勢(shì)。再次,為了獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu),采用遺傳算法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。先是基于屈服和屈曲的約束條件進(jìn)行了最小設(shè)計(jì)并用基本參數(shù)... 

【文章來源】： 耿金嵩 哈爾濱工程大學(xué)

【文章頁數(shù)】：103 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

綜合式載人月球基地方案

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文2圖1.1綜合式載人月球基地方案如圖1.2所示，為NASA開發(fā)的月球行走機(jī)器人，行走系統(tǒng)和艙段結(jié)構(gòu)一體，多足機(jī)器人上方為一個(gè)六棱柱艙段，宇航員在其中操縱機(jī)器人在月面上行走。圖1.2（a）展示了艙段內(nèi)部的布局細(xì)節(jié)和幾何形狀，艙段內(nèi)部布置甲板，居住艙上方布置閣樓作為艙內(nèi)人員的休息區(qū)，環(huán)境控制系統(tǒng)和熱控制系統(tǒng)布置在甲板下方與艙內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)利用管道連接以便調(diào)節(jié)艙內(nèi)生存環(huán)境[4,5]。（a）NASAHabots月球艙段效果圖（b）NASAHabots月球艙段內(nèi)部細(xì)節(jié)圖1.2NASAHabots月球艙段1.2.2充氣式載人太空艙段方案2016年4月，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）將一套由“畢格羅航天公司”（BigelowAerospace）研制的充氣型太空居住艙（BEAM）送入太空，如圖1.3所示，與國(guó)際空間站完成連接之后便將自動(dòng)充氣膨脹并形成可供宇航員居住的空間。經(jīng)過充氣，BEAM太空艙的內(nèi)部空間可以擴(kuò)大到壓縮狀態(tài)下的4.5倍。展開后其最大長(zhǎng)度可達(dá)4m，最大直徑達(dá)到3.23m，體積從收攏狀態(tài)的3.6m3擴(kuò)展至16m3，質(zhì)量達(dá)到1.4噸。BEAM太空艙的外壁采用的是多層柔性材料，包括緩沖層、金屬網(wǎng)和特殊纖維材質(zhì)層等，保證柔性材質(zhì)的艙體完全可以抵御太空垃圾和宇宙碎片的撞擊。此外，BEAM艙內(nèi)相比傳統(tǒng)太空艙更加安靜，宇航員不會(huì)有在現(xiàn)在國(guó)際空間站內(nèi)噪音的困擾[6-9]。

第1章緒論3圖1.3畢格羅公司研制的充氣式艙段如圖1.4所示，為美國(guó)航空航天局的JSC（JohnsonSpaceCenter）中心提出的TransHab充氣式太空居住艙概念，完全膨脹后直徑為4.3m，高7m，體積約為339.8m3，內(nèi)部分為4層供儲(chǔ)藏、實(shí)驗(yàn)、日常起居所用。中心剛性芯軸為可伸縮結(jié)構(gòu)，艙壁充氣完全展開后，可伸縮芯軸到位鎖定，對(duì)整個(gè)艙段結(jié)構(gòu)起支撐作用。充氣外殼由內(nèi)襯、氣囊、約束層、碎片保護(hù)系統(tǒng)和熱控制原子氧保護(hù)層5部分組成，總共超過20層，總厚度40.6cm。最大可承受5670kg的重量，艙內(nèi)免受極端高溫或極端低溫的侵襲[10-14]。（a）TransHab內(nèi)部結(jié)構(gòu)（b）TransHab蒙皮結(jié)構(gòu)圖1.4TransHab充氣式太空居住艙及其外壁結(jié)構(gòu)1.2.3機(jī)械式載人太空艙段方案如圖1.5所示，為美國(guó)獨(dú)立研究人員RaulPolit-Casillas提出的混合式月球載人艙段概念，機(jī)械式桁架展開構(gòu)建宇航員活動(dòng)空間，充氣結(jié)構(gòu)將活動(dòng)空間封閉，充氣結(jié)構(gòu)外壁覆著月壤層抵御輻射和沖擊。在收攏狀態(tài)下，艙段結(jié)構(gòu)為一個(gè)直徑4.57m，高15m的尖頭圓柱，和著陸器一起由ArianeV火箭運(yùn)載。


本文編號(hào)：2964143