空间薄膜结构的褶皱研究进展

大型柔性薄膜结构是目前国际上十分关注的可满足多项空间任务需要的新型空间结 构. 由于薄膜材料柔性且抵抗压缩应力作用的能力十分有限, 因此这些空间结构在 轨时多处于带有褶皱的工作状态. 褶皱的存在会改变结构的力学性能且会影响结构 表面形状, 因此开展薄膜褶皱研究对柔性结构的设计和力学性能评价等具有重要意 义. 本文综述了空间薄膜结构褶皱研究的发展和现状, 重点介绍了薄膜褶皱的理论 研究概况, 并讨论了其中存在的问题.根据褶皱研究的最新进展对其未来的发展趋 势进行了展望.     

曲面薄膜结构褶皱失稳力学

薄膜结构褶皱失稳在微观和宏观尺度会出现相似的形貌, 在过去二十年里引发了学者们极大的研究兴趣. 而几何曲率对薄膜结构的失稳临界、形貌选择和后屈曲演化起着至关重要的作用. 本文回顾近二十年来平面和曲面薄膜结构褶皱失稳力学研究进展, 聚焦曲率影响下的薄膜拉伸和膜基结构在各种激励下的稳定性问题. 有限应变板壳理论模型和数值计算方法的发展推动了对曲率影响下薄膜结构表面形貌多重分岔转变的定量理解、预测和追踪, 不仅推进了对薄膜结构失稳机理的深入理解, 也为抑制褶皱或利用失稳实现多功能表面制造提供了理论基础, 可促进拓扑形貌相关的功能性膜结构的设计及优化.      

空间薄膜结构的褶皱形变预测

空间充气结构技术是一项全新的空间结构构建技术,基于该技术的空间充气结构是未来空间任务的主要需求对象．该结构主要由薄膜构成,因此结构形面精度的保持是关键问题．褶皱是薄膜特有的现象,它的存在会严重影响结构形面精度,因此进行褶皱研究很有必要．根据屈曲理论联合薄膜褶皱的实际构型建立了薄膜结构褶皱的预测模型,分析了矩形平面薄膜受面内水平剪切情况下的褶皱,得到了褶皱幅度和褶皱波长以及薄膜结构产生褶皱时的临界压缩应力,通过与已有文献结果及本文实验结果的比较验证了该分析方法的有效性和结果的正确性．     

基于辛Runge-Kutta方法的棋盘形褶皱二维薄膜-基底结构动力学特性研究

基于力学屈曲原理的褶皱薄膜-基底结构已成功应用于制备可延展无机电子器件。然而,该类电子器件在应用时需要服役于复杂动态环境中,针对棋盘形褶皱薄膜结构的动力学问题鲜有研究,此问题又是该类电子器件走向实际应用需要解决的关键问题之一。本文首先采用能量方法,分别计算了二维薄膜的弯曲能、膜弹性能和柔性基底中的弹性能以及薄膜动能;然后采用拉格朗日方程,推导出了该结构的振动控制方程;而该方程为非线性动力学方程,无法给出其解析解;因此,本文采用辛Runge-Kutta方法对其进行数值求解;数值结果表明,辛数值方法具有长期稳定的特性和系统结构特性,为高精度的可延展电子器件的动力学问题研究提供了优异的数值方法。     

基于张力场理论的薄膜褶皱研究评述

张力场理论是较早提出的研究薄膜褶皱的理论，该理论忽略了薄膜的弯曲刚度, 认为在褶皱 区薄膜处于单轴的应力状态，褶皱的方向为大主应力方向，垂直于褶皱方向的小主应力为零. 基于这种方法提出了很多褶皱的分析模型. 这些分析模型通过引入参数对薄膜的本构关系或 变形梯度进行修正，然后通过数值的方法进行求解，可以得到褶皱形成以后的应力分布，及 褶皱的方向. 其主要的缺点是不能得到褶皱的波长、幅度及数量等信息. 基于能量方法的褶 皱分析，首先要假定褶皱的变形模式，然后通过能量关系得到褶皱幅度和波长的表达式. 本 文对比分析薄膜褶皱的不同分析方法，并指出了薄膜褶皱研究的发展趋势.     

对角受拉方膜褶皱变形幅值的理论预测及实验验证

柔性薄膜结构广泛应用于航天飞行器的关键部件.形面平整度是影响薄膜结构性能的主要因素之一.褶皱幅值是评价薄膜反射面天线形面平整度的重要指标.褶皱幅值的大小与垂直于褶皱方向的横向应变密切相关.本文基于薄板稳定性理论,针对对角受拉方形薄膜建立了一个能够准确预测其褶皱变形幅值的理论模型.该模型考虑了横向拉伸力对薄膜变形的影响,将垂直于褶皱方向的位移分解为由泊松效应造成的横向收缩位移、由面外变形造成的褶皱位移以及由横向拉伸力造成的拉伸位移三个部分,重新推导了褶皱幅值的理论公式. 基于数字图像相关技术,对受拉方形薄膜进行了散斑实验测试. 利用双目视觉三维测量系统,测量了方形薄膜的三维位移场, 获得了薄膜的三维变形形貌和褶皱波形图,研究了褶皱幅值与拉伸载荷之间的非线性关系. 与已有理论模型相比,该模型进一步提高了褶皱幅值的计算精度, 与实验结果吻合良好.本文呈现的理论研究可为精确数值模型的建立及算法实现提供有意义的指导.      

空间充气展开结构动态分析研究进展

空间充气展开结构是一种以薄膜材料为主构建而成的新型结构, 可用于构建大型的天线、太 阳能集中器、太阳帆等空间结构, 为空间结构的大型化提供了一条有效的解决途径.其动态 特性是充气展开结构设计过程中必须考虑的问题, 动态分析测试技术一直是充气展开结构研 究过程中的关键问题, 由于充气展开结构在材料、结构形式及工作环境等方面的特殊性, 使 得其动态分析和测试技术出现了很多新的问题.目前充气展开结构动态分析的研究方法主要 集中在两个方面：实验研究和数值模拟.实验研究主要是针对充气薄膜结构的特点, 由接触 式的测试手段向非接触式的测试手段发展, 但实验研究在真空和微重力环境的模拟上面临着 很大的问题.数值模拟研究可以有效的模拟结构在真空和微重力环境下的动态行为, 并可分 析重力、空气和褶皱等因素对结构振动特性的耦合影响.本文综述了空间充气展开结构动态 分析的实验研究和数值研究的发展和现状, 并讨论了其中存在的问题, 在此基础上指出了该 项研究的发展趋势.     

基于摄影测量法的薄膜褶皱实验研究

采用非接触式的测试方式摄影测量法对薄膜褶皱进行了实验研究.建立了剪切薄膜褶皱的分析模型,并基于摄影测量法对该模型的褶皱变形模式进行了实验研究.摄影测量法是通过对不同角度上相机拍摄到的同一靶点的图像信息进行处理,可以得到相应靶点的三维坐标,从而实现对微小变形的非接触式的测量.通过摄影测量法得到了剪切薄膜褶皱的变形模式.实验研究表明,在剪切距离增大的情况下薄膜褶皱的数量保持不变,但是褶皱面外变形幅度随着剪切距离的增加而增大.试验结果与数值分析结果具有相关性,摄影测量法适合于薄膜结构微小面外变形的非接触式测量.     

对角受拉方膜褶皱变形幅值的理论预测及实验验证

柔性薄膜结构广泛应用于航天飞行器的关键部件.形面平整度是影响薄膜结构性能的主要因素之一.褶皱幅值是评价薄膜反射面天线形面平整度的重要指标.褶皱幅值的大小与垂直于褶皱方向的横向应变密切相关.本文基于薄板稳定性理论,针对对角受拉方形薄膜建立了一个能够准确预测其褶皱变形幅值的理论模型.该模型考虑了横向拉伸力对薄膜变形的影响,将垂直于褶皱方向的位移分解为由泊松效应造成的横向收缩位移、由面外变形造成的褶皱位移以及由横向拉伸力造成的拉伸位移三个部分,重新推导了褶皱幅值的理论公式.基于数字图像相关技术,对受拉方形薄膜进行了散斑实验测试.利用双目视觉三维测量系统,测量了方形薄膜的三维位移场,获得了薄膜的三维变形形貌和褶皱波形图,研究了褶皱幅值与拉伸载荷之间的非线性关系.与已有理论模型相比,该模型进一步提高了褶皱幅值的计算精度,与实验结果吻合良好.本文呈现的理论研究可为精确数值模型的建立及算法实现提供有意义的指导.     

空间充气薄膜结构的褶皱分析

引入一个表征褶皱在纹理方向收缩特性的参数``收缩系数'来替代泊松比参与计算褶 皱形变，并联合褶皱产生时的应力条件和褶皱特性，实现了对空间充气薄膜结构的褶皱分析， 得到了褶皱存在时的充气薄膜结构的应力场和变形. 分析中重点讨论了``收缩系数'与泊松 比的关系，并讨论了引入``收缩系数'约束变形后的变形协调条件. 将两维的褶皱分析方法 拓展应用到三维充气结构的褶皱分析中，分析了充气管的弯皱变形，得到了临界皱曲和极限 弯矩随结构及力学参数的变化规律. 通过简单的褶皱试验，定性地分析了褶皱的形变特性并 与分析结果进行了比较验证，结果一致.     

Analysis of pulled axisymmetric membranes with wrinkling

The nonlinear behavior of an axisymmetric hyperelastic membrane subjected to pulling forces is analyzed. The membrane is considered to be ideal in the sense that it cannot carry compressive stress resultants. If the membrane has a positive initial Gaussian curvature, the pulling gives rise to wrinkles which form over parts of the surface. The full nonlinear equations governing the membrane behavior in the doubly tense and in the wrinkled regions are formulated, and then solved using a numerical integration procedure. Solutions for various examples are presented, with Hookean and neo-Hookean constitutive behavior. These include a few examples of wrinkled membranes with positive initial Gaussian curvatures, and one example of a membrane with a negative initial Gaussian curvature, where no wrinkles are formed.     

薄膜拉伸褶皱失稳力学进展

薄膜拉伸起皱现象在自然界和现代工业中普遍存在，在过去二十年里，引发了学者们极大的研究兴趣．这种起皱失稳行为源自薄膜能与弯曲能之间的非线性竞争．我们回顾从本世纪初至今薄膜拉伸褶皱失稳力学研究进展，将其分为两个阶段：前十年的研究主要局限于薄膜小应变(~1 %)起皱现象，而后十年的兴趣主要集中在有限应变起皱-再稳定（孤立中心分岔）行为，在过度拉伸(~30 %)时褶皱最终消失．定量理解、预测和追踪这种强非线性力学行为的需求推进了有限应变板壳理论和数值计算方法的发展，不仅促进了对薄膜起皱-消皱机理的深入理解，也为无褶皱膜结构设计和薄膜表面形貌调控提供了新的思路．     

Spherical inflatables under axisymmetric loads: another look*

Further results on the axisymmetric large-deflection and stability behaviour of spherical pneumatics subjected to a vertical concentrated load applied at the apex are presented. In particular, the effect of the extensibility on the membrane's behaviour is evaluated. For very high profiled structures, wrinkling at and next to the support is admitted, treating both the case in which a horizontal surface is present at the level of the supports as well as the “stove-pipe-like” support, in which the membrane deflects and wrinkles in a particular manner at the base above a certain load value. Finally, discontinuities in the load-deflection curves, resulting from insufficient accuracy in our earlier numerical work, are eliminated.     

Nonlinear analyses of wrinkles in a film bonded to a compliant substrate

Subject to a compressive membrane force, a film bonded to a compliant substrate often forms a pattern of wrinkles. This paper studies such wrinkles in a layered structure used in several recent experiments. The structure comprises a stiff film bonded to a compliant substrate, which in turn is bonded to a rigid support. Two types of analyses are performed. First, for sinusoidal wrinkles, by minimizing energy, we obtain the wavelength and the amplitude of the wrinkles for substrates of various moduli and thicknesses. Second, we develop a method to simultaneously evolve the two-dimensional pattern in the film and the three-dimensional elastic field in the substrate. The simulations show that the wrinkles can evolve into stripes, labyrinths, or herringbones, depending on the anisotropy of the membrane forces. Statistical averages of the amplitude and wavelength of wrinkles of various patterns correlate well with the analytical solution of the sinusoidal wrinkles.     

航天器动力学与控制的研究进展与展望

开展航天器动力学与控制的研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用, 其目的在于发展有效的方法促使航天器在各阶段平稳可靠地运行. 航天器技术发展迅速, 其形式日趋多样化, 功能与构造日趋复杂,已经向大型空间站、微小卫星、深空探测等方向发展. 航天器结构表现出多耦合、非线性、极端外界环境, 以及大尺度柔性结构等特征, 由此激发起航天器动力学与控制领域各方向的深入研究. 航天器动力学与控制的研究方法覆盖理论分析、数值仿真, 以及实验模拟等诸多方面, 研究内容十分丰富. 本文概括介绍了近年来航天器动力学与控制研究方面的发展状况, 综述了跨航天器动力学与控制、航天器系统级动力学与振动控制、航天器部件级动力学与振动控制等航天领域中的若干基础问题. 内容主要集中于航天领域中不同应用范围、不同层次结构的航天器动力学模型的建立和动力学响应与振动控制的研究方法及已取得的成果. 最后, 提出了该领域中值得进一步考虑的科学问题及未来的发展方向.      

????????????????????

建立了薄膜褶皱分析的力学模型,并基于张力场理论和稳定性理论分析了褶皱区域的应 力应变关系. 在此基础上提出了褶皱薄膜动态分析的NBA-UM(nonlinear buckling analysis-update matrix)分析方法，分析了褶皱薄膜振动特性. 结 果表明，褶皱使薄膜产生``过度收缩' 现象，并改变了薄膜中的应力分布. 褶皱对薄膜的振动特性有很大的影响，大幅度的褶皱改 变了薄膜振动的固有频率和模态形式. 提出的NBA-UM分析方法可以有效地预报褶皱薄膜 的动态行为.