充氣天線具有質(zhì)量輕、收藏體積小的特點,而且天線口徑越大,它的優(yōu)勢越明顯,已逐漸成為航天結構領域的研究熱點。然而,就目前而言,不可否認薄膜材料制成充氣管還具有很多缺點,使其應用于實際受到很大阻礙,比如:強度低,剛度差,易損壞等。這些材料上的不足導致了結構上的應用并不理想,因此,這是亟待解決的問題。鑒于國內(nèi)外對形狀記憶聚合物的結構研究已經(jīng)有了長足的進步,各種各樣的新型研究成果爭相涌現(xiàn),尤其是在航空航天方面的探索性應用更是日漸激烈。因此,對于充氣管結構也可以嘗試結合形狀記憶聚合物。本文設計制作了內(nèi)部嵌有氣動結構的帶有形狀記憶效應的復合材料充氣管結構。外部復合材料能夠通過其形狀記憶效應使得空間內(nèi)的管結構實現(xiàn)展開,且復合材料相比于現(xiàn)有的薄膜材料具有強度、剛度大的特點,增強了可靠性。內(nèi)部的氣動結構既可以增強結構的剛度,又可以加速展開的過程。本文進行了充實的研究工作,主要包括形狀記憶聚合物及復合材料的靜力學研究、復合材料片層的動力學特性包括固有頻率與阻尼比等受溫度變化的影響以及充氣管整體結構彎曲對折的應力分布研究和動力學分析。取得的主要研究成果如下:(1)以纖維編織復合材料計算時的域分離方法和復合材料層合理論為基礎,將形狀記憶聚合物的拉伸試驗結果與查找的碳纖維編織布在不同溫度下彈性性能變化數(shù)據(jù)為已知參數(shù),利用MSCDigimat軟件,對不同含碳量以及不同溫度下的復合材料的彈性性能進行預測,并通過材料的動態(tài)力學分析(Dynamic Mechanical Analysis DMA)試驗加以驗證。分別預測了不同的鋪層角度(0/90與45/45)所產(chǎn)生的不同的彈性性能,在相同溫度下材料的彈性性能隨含碳量增大而升高的變化規(guī)律以及相同含碳量復合材料的彈性模量隨溫度升高而下降的趨勢。(2)以粘滯阻尼體系理論作為指導,利用模擬仿真與試驗測試相互印證的手段,探究了碳纖維復合材料的動力學性能如固有頻率以及阻尼比。在不同溫度場的作用下,包括了全溫度場與局部溫度場,對復合材料片層的動力學性能的影響。隨著溫度的升高其固有頻率會隨之下降并且阻尼比隨之上升。此外還探討了溫度作用在不同區(qū)域、不同面積所帶來的不同變化,充分的體現(xiàn)了形狀記憶復合材料動力學特性的可設計性。(3)設計并成功的制作出了形狀記憶復合材料圓管,并于氣動結構相結合制作出了空間展開充氣管結構。該結構的密封性能良好,能夠在4個大氣壓下不漏氣。并且對復合材料圓管的對折過程進行了仿真,得到其在這個過程下的應力分布與支反力矩的大小,對其動力學特性進行振動試驗加以驗證,并對空間充氣管回復展開進行功能性驗證,為以后在特性工況的設計提供了參考。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

纖維增強剛性基體復合材料的薄壁型結構，經(jīng)過特定方向剛度耦合設計后，能夠產(chǎn)逡逑生較大的宏觀撓度和角度變形（材料變形率仍然維持在１－２％之間），這種結構可用逡逑于空間自動展開結構。如圖１－２，美國航天局（ＮＡＳＡ）和美國空軍實驗室（ＡＦＲＬ）研逡逑制的可折展太陽翼（ＲＯＳＡ）及其在軌驗證，于２０１７年６月成功完成了在軌展開逡逑３８］逡逑0逡逑圖１－２．邋ＮＡＳＡ和ＡＦＲＬ研制的可折展太陽翼及其在軌驗證逡逑（ａ）常規(guī)剛性薄壁復合材料梁的卷曲收攏狀態(tài)；（ｂ）常規(guī)剛性薄壁復合材料梁的展開狀態(tài)；逡逑（ｃ）太陽能電池陣；（ｄ）未來應用于空間超大型太陽能電站；逡逑（ｅ）邋２０１７年６月１８日在國際空間站上的在軌展開驗證過程逡逑－３邋－逡逑

根據(jù)需要調(diào)節(jié)天線占用空間的大小。它是由美國ＣＴＤ公司研發(fā)的。當需要節(jié)省存逡逑儲空間時，可將該天線的反射面折疊成傘型皺褶狀結構，需要工作時，加熱后該結逡逑構會展開成原始的拋物面形狀，進入工作狀態(tài)Ｐ９］如圖１－３所示。逡逑ａ邐ｂ逡逑圖１－３形狀記憶復合材料可展開天線（ａ．折疊狀態(tài)；ｂ．展開狀態(tài)）［３９］逡逑＂ｘ逡逑圖１－４邋ＳＭＰ復合材料片層可展開天線的實物圖［４Ｑ］逡逑研究中心的楊鵬碩士等［４（）］，研制了形狀記憶聚合物復合材料空間可展開天線逡逑結構如圖１－４，其中，展開驅動器是采用的形狀記憶復合材料可展開鉸鏈結構。逡逑１．３．２形狀記憶聚合物基復合材料可展開鉸鏈逡逑美國ＣＴＤ公司利用環(huán)氧基形狀記憶聚合物的碳纖維增強的復合材料制作了逡逑具有記憶功能的可展開鉸鏈結構［４１］。利用碳纖維的導電性，對該鉸鏈進行電加熱。逡逑結構所受的溫度可以根據(jù)電流的大小進行控制，當材料變軟后彎折鉸鏈到某一預逡逑先設定的角度，在保持外力的同時不再進行通電，此時鉸鏈溫度開始下降，當鉸鏈逡逑的溫度下降至其玻璃化轉變溫度（Ｔｇ）以下，確保鉸鏈形狀固定后，將外力撤去，此逡逑時的鉸鏈形狀能長期保持固定。若當鉸鏈處于工作狀態(tài)時，給鉸鏈兩端加電壓，待逡逑材料溫度上升至形狀記憶聚合物Ｔｇ溫度以上之后

作如下：逡逑研宄中心的博士蘭鑫等，自主研制了具有形狀記憶功能的可展開鉸鏈［４氣如逡逑圖１－５所示為其成品圖，圖１－６是其無負載展開過程，并將其成功應用于空間可展逡逑開的太陽能電池陣，如圖１－７所示。逡逑ａ邐ｂ逡逑圖１－５形狀記憶復合材料可展開鉸鏈（ａ．折疊狀態(tài)；ｂ．展開狀態(tài)）％逡逑ＯＳ＾ｌ，逡逑ｈ邋ｉ邋Ｉ逡逑，邋Ｉｆ鉸鏈展開過程圖逡逑Ｈ：、邋一逡逑邐３Ｍ３１Ｂｌ＾２３ｉ邋ｉ逡逑圖１－７形狀記憶復合材料鉸鏈驅動太陽能電池陣模型的展開過程

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 李愛群;陳鑫;左曉寶;;鐵磁形狀記憶合金研究進展與展望(Ⅰ):材料、力學特性[J];防災減災工程學報;2011年01期

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相關博士學位論文 前2條

1 張大偉;苯乙烯形狀記憶聚合物及其光、磁驅動特性的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2011年

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相關碩士學位論文 前5條

1 魏洪秋;具有自修復功能的形狀記憶聚合物的制備及性能表征[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

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本文編號：2808426