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空间薄膜褶皱及其动态特性研究

李云良  
【摘要】: 褶皱作为薄膜的局部屈曲现象,在空间薄膜结构中广泛存在。对于高精度的薄膜结构来说,褶皱是影响其表面精度的主要因素。同时,褶皱产生以后将影响到结构的稳定性,并对结构的动态特性产生一定的影响。目前随着航天领域中高精度薄膜结构应用研究的发展,薄膜褶皱研究已成为热点。 张力场理论是较早提出的薄膜褶皱分析理论,通过引入参数对薄膜褶皱区域的本构关系进行修正,以避免薄膜中压应力的出现。基于张力场理论很好的解决了张拉膜结构的褶皱问题。由于基于张力场理论的薄膜褶皱分析不能得到褶皱的面外变形信息,因此不符合高精度空间薄膜结构的褶皱分析要求。 为了准确描述薄膜褶皱的面外变形,本文提出了褶皱构形的概念,采用波长,幅度及褶皱方向等参数来描述褶皱构形。根据非线性大挠度方程建立了薄膜褶皱构形参数研究的一般性方法—应力极值法,建立了褶皱半波长与褶皱方向拉应力的关系模型,确定了褶皱构形参数之间的关系。采用应力极值法进行褶皱分析时,避开了褶皱具体变形形式的假定,具有很好的通用性。根据应力极值法,研究了剪切薄膜褶皱和对角张拉矩形薄膜褶皱,得到了褶皱构形参数。 将薄膜产生褶皱的过程分为初始屈曲过程和后屈曲过程两个阶段,对两个不同阶段褶皱形成和扩展的机理进行了理论分析。建立了初始屈曲过程剪切薄膜的临界载荷公式,并分析了初始屈曲过程褶皱的形成和扩展规律。对于后屈曲过程的分析,将初始缺陷引入到薄膜褶皱的分析之中,建立了具有初始缺陷的薄膜褶皱的分析模型,分析了褶皱区域的应力分布规律。根据褶皱区域应力分布规律,分析了后屈曲过程褶皱的扩展机理。结合理论分析,讨论了后屈曲过程中可能出现的二次屈曲现象。 基于稳定性理论,建立了薄膜褶皱的数值分析方法—直接扰动法,解决了采用常规的非线性屈曲分析引入的初始缺陷无法去除的问题。采用直接扰动法,分析了薄膜初始屈曲过程的临界载荷和褶皱的形成及扩展规律。得到了后屈曲过程薄膜褶皱的构形参数。分析了薄膜屈曲的平衡路径。通过数值方法研究了初始屈曲过程及后屈曲过程中的二次屈曲现象。并将数值分析结果与理论分析结果进行了对比分析,结果符合较好。 采用数字摄影测量法进行了剪切薄膜褶皱的实验研究。通过数字摄影测量系统实现了薄膜微小面外变形的非接触式的测量。设计了适合高精度测量要求的剪切薄膜的实验装置,该装置可以实现精确的加载过程控制,便于对薄膜屈曲全过程的分析。采用高精度的数字摄影测量系统获得了褶皱的构形及构形参数,在实验中观测到了二次屈曲现象。通过与数值分析结果进行的对比分析,验证了数值分析方法的合理性。 对薄膜屈曲后的动态特性进行了分析。建立了具有褶皱面外变形的薄膜振动的特征值方程,并基于直接扰动法建立了动态分析的数值方法。基于该方法分析剪切褶皱薄膜和对角张拉矩形褶皱薄膜的振动特性。分析了褶皱形成以后薄膜振动的固有频率和主振型的变化规律,及褶皱幅度对于动态特性的影响,研究了褶皱薄膜的振动模态与薄膜褶皱构形的对应关系。 本文对薄膜褶皱的形成过程及形成机理进行了研究,研究了薄膜褶皱的变形特性及薄膜屈曲后的动态性能。为空间薄膜结构的形面精度控制、稳定性控制及振动控制的深入研究提供了理论依据。


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