典型含薄膜空间结构展开动力学分析.PDF

典型含薄膜空间结构展开动力学分析 刘志超 荣吉利 辛鹏飞 （北京理工大学宇航学院力学系，100081） 摘要 薄膜结构质量轻、易折叠，在航空领域的应用具有深远的意义。薄膜结构展开空间 实验花费昂贵，由于重力、大气压力影响，地面试验难以模拟真实的空间工作环境。因此， 采用成熟的有限元软件进行数值模拟非常关键。本文首先采用SAMCEF 软件对薄膜结构两 种典型展开方式进行动力学仿真。通过观察薄膜结构展开的动力学响应过程分析薄膜结构 的状态、应力分布情况；然后探究泊松比和展开速率对薄膜结构展开稳定性的影响。 关键词：薄膜结构 充气展开 展开机构 仿真分析 一、研究背景 膜结构是 20 世纪中期发展出来一种新型结构，它代表着当今建筑技术和材料科学 发展的新水平。膜结构质轻、易折叠，有良好的透光性和自清洁性，有着很大的变形能 力。它属于张力结构体系，在航天领域的应用具有深远的意义，目前主要应用是：大型 空间天线、太阳能电池帆板（DARPA ）、太阳防护罩及能量吸收系统等。 二、研究内容 2.1 内容简介 本文采用 SAMCEF 有限元仿真软件对充气展开、展开机构驱动展开这两种典型含 薄膜结构进行展开动力学仿真分析，并研究了泊松比、展开速率变化对展开稳定性的影 响。 2.2 气囊充气展开动力力学仿真分析 首先运用 SAMCEF 对气囊结构进行有限元建模，气囊结构有两层薄膜结构构成， 通过对一端固支，对气囊内壁施加线性压强来使气囊展开。设置计算类型为隐式非线性 分析，计算时间为0.2s，时间步为5e-4s 。下图是气囊的初始状态和末状态变形图： 图 1 气囊初始状态和末状态变形图 结论：泊松比为 0.1 、0.3 时，自由端速度变化幅值小且平缓，速度衰减快， 气囊展开稳定性好；泊松比为 0 、0.2 时，自由端速度幅值变化较大且急促，速 Ⅲ-27 度衰减慢，气囊展开稳定性差；充气时间为 0.2s 、0.3s 、0.4s 时，自由端速度变 化幅值较小，基本趋近于 0 ，展开后残余振动小，气囊展开稳定性好；充气时间 为 0.1s 时，自由度速度末时段变化幅值很大，自由端振动剧烈，气囊展开稳定 性差。 2.3 扇形机构驱动展开动力学仿真分析 本文首先运用 SAMCEF 对扇形机构进行有限元建模，扇形机构由单层膜和两个梁 组成，通过对一侧梁固支，另一侧梁施加 10 度/s 的角速度使薄膜结构展开。下图是扇 形机构有限元模型和展开状态应力图： 2 图 扇形机构有限元模型和展开状态应力图 结论：泊松比为0.1、0.3 时，节点速度变化幅值很小，薄膜结构展开后残余振动小， 薄膜结构展开稳定性好；泊松比为0、0.4 时，节点速度变化幅值较大且急促，薄膜结构 展开后残余振动较为剧烈，薄膜结构展开稳定性差。展开速率为 12 度/s 时节点偏离零 值较大，衰减较慢，展开后残余振动剧烈，扇形结构驱动展开稳定性差；展开速率为6 度/s 、3 度/s 时，节点速度在零值附近波动，薄膜结构振动衰减较快，扇形机构驱动展 开稳定性好。 三、结论 1. 采用SAMCEF 有限元分析软件能够完成典型薄膜结构展开的动力学分析； 2. 泊松比为0.1 和0.3 时，薄膜结构展开后残余振动小，薄膜结构展开稳定性好； 泊松比为0、0.2、0.4 时，薄膜结构展开后残余振动剧烈，薄膜结构展开稳定性差； 3. 展开速度越慢，展开后薄膜结构的残余振动越小，薄膜结构展开越稳定。 参 考 文 献 1 卫剑征, 苗常青, 杜星文. 充气平面天线结构展开过程仿真分析[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2007 2 毕朕. 空间充气管展开过程仿真及模态分析[D]. 哈尔滨工业大学, 2006 3 徐彦. 充气可展开天线精度及展开过程