充气结构折叠建模方法及展开特性研究

【摘要】：充气结构的展开动力学特性决定了其在轨展开成型,但其在轨展开特性测试难度大、费用高,对其进行地面测试时,由于地面试验难以模拟空间环境,故常将数值模拟作为充气结构展开动力学特性研究的一种手段,其结果能为充气结构的设计与优化提供依据,而充气结构的折叠建模又是数值模拟的关键。但对于不可展曲面或厚壁充气结构,目前尚没有合适的折叠建模方法,针对这一问题,本文提出了一种表面加载逆向折叠建模法,分析了不可展曲面充气结构的折叠及展开动力学特性。首先,本文在逆向折叠建模法的基础上,通过一块施加位移的刚体对充气结构进行加载,发展了一种表面加载逆向折叠建模法,同时考虑壁厚对结构抗弯刚度的影响,单元分析模型采用壳单元。该方法符合充气结构在折叠时的受力情况,并利用该方法建立简单充气管折叠模型,验证了模型的正确性。其次,以不可展曲面充气结构——气囊为对象,研究了弹性模量、壁厚对气囊折叠特性的影响,包括折痕应力、充气结构不同位置的受力比较,得到了弹性模量及壁厚对折叠特性的影响规律,结果表明:厚壁充气结构在折叠过程易在不可展曲面产生较大应力值,高模量的充气结构比低模量的充气结构产生的应力集中现象明显。故在充气结构设计时,应充分考虑弹性模量、壁厚与折叠特性的关系,尤其是弹性模量较高的材料或厚壁结构。最后,利用气囊折叠模型,研究了弹性模量、充气结构尺寸以及壁厚对气囊的展开动力学特性的影响,包括展开速度、展开位移及应力比较,结果表明:高模量或厚壁充气结构展开过程中,其折痕处的应力集中现象明显,应避免充气结构折叠时产生较多折痕,此外,模量或壁厚的增加均延长结构的展开时间,对于需快速成型的充气结构,应选取弹性模量较小或薄壁充气结构。