空间薄膜结构褶皱的数值模拟最新研究进展

褶皱问题是高精度空间薄膜结构最关心的问题之一, 它是影响薄膜结构形面精度的关键因素. 由于薄膜结构褶皱机理的复杂性, 该问题一直没能得到很好的解决, 人们对褶皱的认识, 目前主要是通过试验观察和数值模拟等方法. 本文综述了空间薄膜结构褶皱数值研究的发展和现状, 并对其中重要的和被广泛采纳的方法进行了重点介绍和评述. 最后对褶皱数值分析方法所面临的问题及其发展趋势作了初步展望.      

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.      

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.      

空间折叠薄膜管的充气展开动力学实验研究

空间折叠薄膜管是空间充气展开结构的基本支撑部件, Z形折叠是充气展开管的基本折叠方式之一. 针对空间微重力环境, 建立了折叠薄膜管的充气展开实验系统, 采用气浮导轨, 解决了地面重力对充气展开过程的影响; 采用非接触式的光电测量方式, 有效地避免了接触式传感器对充气展开过程的干扰. 针对V形折叠薄膜管, 研究了不同的充气流量、薄膜管尺寸效应以及展开端有无有效载荷对充气展开动力学特性的影响; 通过实验研究, 选择充气流量、管子直径和载荷质量为主定参量, 对充气展开过程进行量纲分析和实验误差分析, 结果表明, 折叠薄膜管的充气展开最大速度与充气的体积流量成正比, 与管直径的立方成反比.      

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.      

空间薄膜阵面结构褶皱的实验研究

阵面薄膜上的褶皱会显著影响航天器性能,褶皱控制也是薄膜航天器研发的难点。本文采用白光扫描技术,测试了一个正方形薄膜阵面结构在纯剪切作用下的褶皱特性。测试结果显示,随着剪切力的增大,结构膜面褶皱数增加,褶皱幅度增大,膜面平整度降低。随着膜面预应力的增大,膜面上的褶皱数略有增大,褶皱幅度有所减小,膜面平整度有所提高。测试结果还显示,膜面上粘结缝的存在、以及粘结缝与剪切力间的方位关系对膜面褶皱有复杂的影响。论文所得结论对薄膜阵面结构设计研发具有参考价值。     

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.      

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.     

充气结构与流场的耦合求解方法

针对一种充气前缘(inflatable leading edge, ILE)增升技术,建立了其充气结构与流场耦合作用的运动方程. 将方程写成状态空间形式,采用时域推进方法求解. 对使用了变前缘增升技术的NACA63-212翼型进行了充气结构静变形的数值计算,结果表明充气结构的刚度对翼型的气动特性有明显影响. 与原翼型相比,在不考虑充气结构变形时, 该增升技术大约能使翼型的失速迎角增加30{\%},最大升力系数增加22{\%};考虑结构变形后增升效果有所降低. 刚度较低的薄膜在前缘吸力峰的作用下会隆起形成鼓包,容易引起流动分离.      

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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.     

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.     

粘性基底上溅射薄膜褶皱的边界效应研究

复杂的表面微结构在自然界中普遍存在,它们赋予生物组织优异的物化功能.受此启发,各类仿生结构在工程领域(如微机电系统、能源材料、生物传感等)得到了广泛应用.论文利用磁控溅射技术在粘性的胶体基底上沉积金属铁薄膜,研究了薄膜中自发形成的褶皱结构,重点分析了约束边界和膜厚梯度边界对褶皱形貌的调控效应.实验发现,随着膜厚的增加,...     

Experimental analysis on membrane wrinkling under biaxial load – Comparison with bifurcation analysis

This paper presents a detailed experimental study of the formation and evolution of the wrinkle pattern that form in flat elastic and isotropic membranes under the action of in-plane tension. The experiments were carried out on a cruciform specimen stretched along two uncoupled axes using various loading paths. The wrinkled shapes of the membrane were digitized by using a full-field measurement based on the fringe analysis method.Over this experiment, several phenomena were observed: the mechanism of wrinkle division, the influence of the membrane thickness on the wrinkle pattern, and the reproducibility of a kinematic configuration of wrinkles.The main result is that non-unique wrinkle shapes have been observed over repeated experiments for nominally identical boundary conditions. The uncertainty of the experimental wrinkle shape has been explained using comparison with the results of a post-buckling finite element analysis.     

Controlled wrinkling analysis of thin films on gradient substrates

The paper investigates continuously changing wrinkle patterns of thin films bonded to a gradient substrate. Three types of gradient substrates including exponential,power-law, and symmetry models are considered. The Galerkin method is used to discretize the governing equation of film bonded to gradient substrates. The wavelength and the normalized amplitude of the wrinkles for substrates of various material gradients are obtained. The numerical simulation based on the finite element method(FEM) is used to evolve the wrinkle patterns. The result agrees well with that of the analytical model.It is concluded that localization of wrinkle patterns strongly depends on the material gradient. The critical membrane force depends on both the minimum value of wrinkle stiffness and the gradient of wrinkle stiffness when the wrinkle stiffness is at its minimum.This work provides a better understanding for local wrinkle formation caused by gradient substrates.