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空间薄膜结构的展开动力学研究及热分析

肖潇  
【摘要】:空间薄膜展开结构具有重量轻、折叠体积小等显著优点,在大型空间结构如大型空间天线、太阳帆板等领域有着广阔的应用前景。 空间薄膜结构的展开分析一直以来是空间薄膜结构研究的热点,本文依托民用航天科研预先研究项目(C1320060312、WY-YY/ZZ06JY001)及航天部第十四研究所项目(GFJG-E80698),首先对空间薄膜结构的关键技术和展开理论进行了综述,在此基础上,采用控制体积法对充气薄膜结构的速度控制进行了研究,从材料、结构以及模型本身,对充气薄膜结构的速度进行了控制分析,对减小充气管展开端的速度提出了措施,本研究对工程设计和应用提供一定的参考价值。 空间薄膜结构的展开机理的研究一直以来是科学家关注的重点,从能量-动量的角度研究空间薄膜结构的展开,采用刚体动力学和欧拉四元素理论,通过增量的近似和修改外力的方法,不仅保证了拉格朗日方程的微分关系满足能量守恒、动量守恒和动量矩守恒,而且其增量关系也满足这三个守恒定律,从而强制地保证了数值积分的稳定;通过修改时间积分方法,不仅保证了计算的精度,而且使迭代更易收敛;考虑薄膜的非线性变形,将小刚度理论引入薄膜结构的分析,考虑了薄膜结构在展开过程中的褶皱和松弛,并对空间薄膜结构展开过程中的能量及动量进行了分析;模拟充气结构时,修正了原充气过程为等温过程的假设,运用热力学第一定律和气体状态方程对充气过程的气体交换过程进行了推导,得到了其精确解;在程序的处理中,采用独立计算子气室气压的方法,减少有限元分析中刚度矩阵的带宽,从而节省计算时间和计算机内存;而且还考虑了气体与结构的相互作用以及薄膜的自接触等,并将模拟结果与实验进行了对比,发现吻合较好。因此,能量-动量法在研究非线性几何问题方面更具明显的优势。 空间充气薄膜结构的热分析目前也是一个热点,空间充气薄膜结构是受热敏感结构,其几何精度要求高。对空间充气薄膜结构进行了在轨热分析,主要研究了充气薄膜结构的热弯曲性能以及大型空间薄膜结构在空间轨道上所受到的太阳辐射压力及其产生的扭矩以及外热流的情况,为进一步分析空间充气薄膜结构的热致变形奠定了基础。 在充气薄膜结构中,充气展开支撑管是主要的部件之一,钢卷尺加劲可展自硬化充气管是充气展开支撑管中利用钢卷尺达到自硬化目的的一种类型,其展开动力学性能也是研究的热点和难点,采用气垫导轨模拟微重力环境,首次对卷曲折叠的充气管,特别是对钢卷尺加劲的充气自硬化管的展开动力学性能进行了实验研究。 综上所述,空间充气薄膜结构的展开是一个复杂的动力学问题,不仅与材料的性能、薄膜的自接触等自身条件与关,而且,还受折叠方式、充气速率大小、展开过程中出现的褶皱和松弛等外部因素的影响,同时,还受空间环境因素特别是热荷载的影响。因此,研究空间充气薄膜结构的动力学问题,应该运用理论研究、实验与数值模拟相结合的方法,充分把握其展开机理以及影响因素,才能为充气结构的设计和空间展开过程的预报提供有利的依据。


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