【摘要】：采用特定角度鋪設(shè)的織物復(fù)合材料薄壁柱殼具有雙穩(wěn)態(tài)特性,即在卷曲狀態(tài)與展開狀態(tài)均處于穩(wěn)定狀態(tài),無需外界約束。該類結(jié)構(gòu)具有卷曲收納裝置簡單、展開過程可靠、收納效率高等優(yōu)勢,在空間可展開結(jié)構(gòu)中具有極大的應(yīng)用潛力。由于織物復(fù)合材料雙穩(wěn)態(tài)柱殼存在彎曲剛度預(yù)報困難,且在卷曲與展開過程中存在過渡區(qū)域移動、局部失穩(wěn)、大轉(zhuǎn)動等特殊現(xiàn)象,其卷展過程中的行為研究尚不完善。本文針對織物復(fù)合材料雙穩(wěn)態(tài)柱殼,圍繞卷曲與展開過程中的大轉(zhuǎn)動非線性變形行為,從彎曲剛度預(yù)報、雙穩(wěn)態(tài)跳變行為、過渡區(qū)域構(gòu)型預(yù)報、卷展過程特征參數(shù)描述及結(jié)構(gòu)承載性能等方面進行研究。具體研究內(nèi)容如下:特定的彎曲剛度分布是實現(xiàn)織物復(fù)合材料雙穩(wěn)態(tài)特性的關(guān)鍵。由于織物中的纖維束沿厚度方向分布不均勻,導(dǎo)致采用層合理論預(yù)報彎曲剛度系數(shù)結(jié)果偏差較大。為提高預(yù)報精度,根據(jù)織物復(fù)合材料橫截面微觀結(jié)構(gòu),確定了纖維束截面厚度、寬度及相鄰纖維束間的間距等關(guān)鍵參數(shù),建立了織物復(fù)合材料單胞三維幾何模型。結(jié)合體素網(wǎng)格,通過不同網(wǎng)格位置施加不同的位移約束,實現(xiàn)了彎曲工況下對應(yīng)的非均勻分布位移邊界條件的程序化施加,建立了織物復(fù)合材料彎曲剛度預(yù)報模型,得到了織物復(fù)合材料的彎曲剛度矩陣。開展了四點彎曲試驗和懸臂薄板彎曲試驗,彎曲剛度預(yù)報結(jié)果與試驗結(jié)果偏差5.33%,驗證了預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)合前述預(yù)報得到的彎曲剛度,針對織物復(fù)合材料雙穩(wěn)態(tài)柱殼,以柱殼軸向和橫向曲率為變量,建立了織物復(fù)合材料柱殼應(yīng)變能與兩個曲率之間的理論模型,分析了雙穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)機制�？紤]邊界效應(yīng)影響,給出了臨界截面張角的預(yù)報模型。針對大截面張角柱殼兩個穩(wěn)態(tài)之間的跳變行為,提出了兩點拉伸加載的分析方法,建立了跳變行為有限元分析模型,解決了大截面張角情況下柱殼跳變行為分析難題,獲得了不同長度柱殼的跳變過程載荷位移關(guān)系。雙穩(wěn)態(tài)柱殼正向和反向跳變臨界載荷預(yù)報結(jié)果與試驗測試結(jié)果吻合較好,為準(zhǔn)確描述大截面張角雙穩(wěn)態(tài)柱殼跳變行為提供了分析方法。針對兩個穩(wěn)態(tài)之間的過渡區(qū)域構(gòu)型難以采用多項式函數(shù)擬合的難題,提出了根據(jù)曲率分布特征進行分區(qū)的方法,將過渡區(qū)域分解為軸向曲率主導(dǎo)的準(zhǔn)卷曲區(qū)域和橫向曲率主導(dǎo)的準(zhǔn)展開區(qū)域。采用薄殼理論,推導(dǎo)了過渡區(qū)域不同分區(qū)控制微分方程,結(jié)合邊界條件建立了過渡區(qū)域曲率分布及臨界長度理論預(yù)報模型,并分析了柱殼幾何尺寸及彎曲剛度系數(shù)等對過渡區(qū)域的影響。算例分析表明,理論模型預(yù)報長度為257.76mm,有限元預(yù)報結(jié)果為276mm,偏差5.58%。對于確定的彎曲剛度矩陣,過渡區(qū)域長度隨著截面弧長的增加而近似線性增加;增大抗彎剛度D12和抗扭剛度D66,準(zhǔn)卷曲區(qū)域長度將逐漸減小,而準(zhǔn)展開區(qū)域長度及總的過渡區(qū)域長度將出現(xiàn)增加的趨勢。在前述研究基礎(chǔ)上,假設(shè)卷曲狀態(tài)應(yīng)變能可部分地轉(zhuǎn)換為展開過程中的動能,考慮過渡區(qū)域長度影響,建立了雙穩(wěn)態(tài)柱殼展開過程中的展開位移及速度等特征參數(shù)隨展開時間的變化關(guān)系理論模型。采用有限元方法建立了卷展過程分析模型,預(yù)報了卷展過程中的強度特征及展開過程中的變形行為。搭建了雙穩(wěn)態(tài)柱殼卷展過程試驗裝置,開展了卷展過程試驗,獲取了展開過程中的位移隨時間的變化關(guān)系。對于展開長度為0.7m的雙穩(wěn)態(tài)可展開柱殼,理論預(yù)報展開時間為0.238s,試驗測試為0.247s,偏差為3.64%。相同截面弧長下,展開時間隨柱殼截面張角增加而減小,隨剛度系數(shù)增加而線性減小。面向?qū)嶋H應(yīng)用需求,對于展開狀態(tài)的雙穩(wěn)態(tài)柱殼,采用有限元方法建立了軸向壓縮、正向和反向彎曲等典型工況下的承載性能分析模型,開展了有限元分析和試驗驗證,并給出了截面張角、軸向長度、剛度系數(shù)等參數(shù)對臨界載荷的影響規(guī)律。采用有限元方法分析了雙穩(wěn)態(tài)柱殼的固有頻率,并通過了試驗驗證,給出了幾何尺寸和彎曲剛度系數(shù)等對固有頻率的影響規(guī)律。在雙穩(wěn)態(tài)可展開柱殼基礎(chǔ)上,提出了用于可展開拋物柱面反射面支撐結(jié)構(gòu)的雙柱殼結(jié)構(gòu)體系,建立了雙柱殼體系載荷預(yù)報模型,采用有限元方法開展了雙柱殼體系變形特性分析,為空間可展開結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新的途徑和方法指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TS106;TB33
【圖文】：

壁可展開柱殼發(fā)展現(xiàn)狀薄壁可展開柱殼的研究起于 20 世紀(jì) 60 年代。1965 年，Ri種可卷曲管狀伸展桿(STEM-Storable Tubular Extendible 構(gòu)初始狀態(tài)為伸直狀態(tài)，截面形狀為開口圓弧狀，在開口處域，沿截面方向展平后可像卷尺一樣卷曲收納；在彈性能和開，依靠自身存儲的彈性應(yīng)變能恢復(fù)至初始柱殼形態(tài)。該類高、展開剛度好、尺寸可擴展等優(yōu)點[23]。隨著復(fù)合材料技術(shù)材料可展開柱殼日益受到人們的重視，其在太陽帆、空間伸構(gòu)中的應(yīng)用已得到較多的研究。壁柱殼在太陽帆中的應(yīng)用高剛度可展開桿是輕質(zhì)太陽帆結(jié)構(gòu)技術(shù)中的一個關(guān)鍵技術(shù)帆技術(shù)的可行性及可靠性，德國航天中心較早開展了輕質(zhì)太用碳纖維復(fù)合材料豆莢狀截面柱殼作為太陽帆展開與成型莢形截面柱殼具有抗彎、抗扭剛度高，可卷曲收納的優(yōu)點截面柱殼及其在太陽帆樣機中的應(yīng)用見圖 1-1。

圖 1-2 不同截面形式Fig. 1-2 Bending stiffnesses for cylindrJohnson 等[32, 33]采用人字形截面柱陽帆的可行性，研制了 5m×5m 太陽帆方體衛(wèi)星用太陽帆，提出了采用雙穩(wěn)態(tài)方案。采用彈力繩連接柱殼與條狀帆面(a

圖 1-7 雙穩(wěn)態(tài)柱殼結(jié)構(gòu)支撐衍射望遠鏡樣機[40]g. 1-7 Demonstrator of cubsat diffraction telescope with bistable she內(nèi)外應(yīng)用研究現(xiàn)狀，為促進雙穩(wěn)態(tài)柱殼結(jié)構(gòu)的進一步應(yīng)雙穩(wěn)態(tài)特性的影響、跳變機制、過渡區(qū)域構(gòu)型及卷展過步研究和完善。

【參考文獻】

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本文編號：2780704