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充气管结构的承载能力分析

杜振勇  
【摘要】: 空间充气展开结构具有发射体积小、重量轻、可靠性高、造价低等突出优点,在大型空间展开结构如大型空间天线、太阳帆等领域有着广阔的应用前景。充气管作为空间充气展开结构的基本承力单元,研究其承载能力是十分必要的。本文从理论模型、数值模拟和试验分析等方面,重点研究充气薄膜管在承载过程中的屈曲行为,并研究了充气压力对充气管抗轴向压缩和弯曲载荷能力的影响。 利用薄膜理论建立了充气薄膜管局部屈曲的预测模型,得到了薄膜管临界皱曲载荷和极限载荷的预报模型;对充气薄膜管的弯曲行为进行了数值模拟,得到了不同充气压力下充气管的屈曲和极限载荷;建立了充气管弯曲承载能力分析的试验装置,得到了充气管弯曲承载能力和充气压力的关系。 研究了充气管受轴向压缩时的理论分析模型,对充气管的轴向压缩特征屈曲进行了数值模拟,得到了充气管的特征屈曲模态,确定了特征屈曲载荷同充气压力的关系。 提出了利用梁单元模拟充气管承载特性的有限元数值分析方法,建立了相关分析流程,该方法不仅能够引入充气压力对承载能力的影响,而且有助于解决充气桁架等复杂充气结构利用膜、壳单元分析时,计算量大,局部屈曲无法收敛等难题。分别采用壳和梁单元进行充气管的屈曲特性分析,计算结果表明梁单元的精度满足工程计算的要求。 最后本文用梁单元法对充气桁架在不同载荷情况下、不同几何形状、不同充气压力下的屈曲特性进行了分析,确定了充气桁架承载能力的变化规律。本文研究的分析方法和分析结果对充气结构的设计提供依据。


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