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.      

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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.     

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.