充氣梁彎皺特性研究.pdf

1、充氣展開支撐結構是近期航空航天可展開飛行器中出現的一類新型展開結構,具有重量輕、折疊體積小、展開可靠性高、展開后承載范圍大等特點。充氣展開支撐結構中的充氣梁是其典型結構部件,為提高充氣梁的承載性能,本文建立了充氣梁承載特性分析方法,并對其承載規(guī)律進行了數值分析和試驗驗證。
　　充氣梁在彎曲載荷作用下產生局部壓應力,彎曲載荷達到起皺載荷時充氣梁產生褶皺,隨著彎曲載荷的增加褶皺區(qū)域進一步擴展,當彎曲載荷達到失效載荷時充氣梁失穩(wěn)無法進一

2、步承受更大彎曲載荷。充氣梁的承載規(guī)律和彎皺特性可以用起皺載荷、失效載荷、褶皺區(qū)域進行表征。
　　本文對充氣梁的承載過程中的彎皺特性進行了系統(tǒng)研究。對充氣梁褶皺產生、褶皺擴展、剛度退化機理以及網格增強結構進行了理論研究、數值模擬和試驗研究,主要內容包括:
　　本文首先針對充氣梁在彎曲載荷作用下褶皺的軸向擴展進行分析,提出彎皺因子的概念,進行褶皺區(qū)域表征,首先建立基于彎皺因子的變截面充氣梁褶皺軸向擴展特性分析模型,確定彎曲載荷作

3、用下變截面充氣梁起皺彎矩預報模型、初始起皺位置預報模型、褶皺區(qū)域軸向邊界預報模型和失效載荷預報模型。然后針對褶皺區(qū)域的環(huán)向擴展進行分析,確定基于彎皺因子參數的褶皺角和中性軸偏移量預報模型,利用擬合多項式方法獲得褶皺區(qū)域內褶皺角和中性軸偏移量的分布規(guī)律,完成基于彎皺因子的變截面充氣梁褶皺區(qū)域產生擴展分析方法,以獲得充氣彎皺狀態(tài)褶皺區(qū)域的完整描述。最后建立變截面充氣梁的抗彎測試實驗裝置,獲得變截面充氣梁在彎曲載荷作用下的彎皺行為實驗結果,結

4、合有限元數值模擬,驗證變截面充氣梁褶皺區(qū)域產生和擴展分析方法的準確性和有效性。
　　在基于彎皺因子的變截面充氣梁褶皺區(qū)域產生擴展分析方法基礎上，針對充氣梁彎皺狀態(tài)力學模型,引入等效充氣壓力方法建立了充氣壓力、中心軸偏移、變形幅度和管壁剛度等的平衡彎矩分析模型,建立充氣梁彎皺變剛度分析模型,解析彎皺狀態(tài)充氣梁的剛度變化和抗彎平衡機理,獲得抗彎剛度與彎皺因子和褶皺角的變化關系,建立考慮褶皺區(qū)域和褶皺區(qū)域曲率變化影響的充氣梁彎皺變剛度分

5、析模型。與數值模擬結果對比證明本文充氣梁彎皺變剛度分析模型的正確性。
　　在基于彎皺因子和等效充氣壓力的彎皺充氣梁變剛度分析模型基礎上，提出能夠考慮褶皺區(qū)域和褶皺曲率變化等褶皺效應的彎皺充氣梁有限元分析模型,給出形函數和剛陣的具體形式,建立彎皺充氣梁單元的求解過程,編制有限元分析驗證程序,對不同載荷狀態(tài)和結構形式的充氣梁承載特性進行了數值分析,得到彎皺狀態(tài)下充氣梁褶皺區(qū)域擴展規(guī)律和大變形因素對充氣梁承載性能的影響。通過和文獻結果對

6、比驗證本文彎皺充氣梁單元的準確性和有效性,為大型充氣結構承載性能高效率分析和優(yōu)化奠定了基礎。
　　利用本文充氣梁單元和同樣工況下加密的有限元細化分析模型對網格增強充氣梁的載荷撓度曲線進行了對比分析,并通過試驗驗證了本文充氣梁單元的準確性和高效性。為了利用本文充氣梁單元分析網格增強充氣梁,本文首先對網格增強充氣梁管壁的表觀工程常數進行了等效分析,并通過實驗和數值分析驗證了等效模型的準確性。
　　本文的研究成果將為大型充氣結構承