充氣梁彎皺特性研究.pdf

1、充氣展開支撐結(jié)構(gòu)是近期航空航天可展開飛行器中出現(xiàn)的一類新型展開結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)中的充氣梁是其典型結(jié)構(gòu)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(shù)值分析和試驗驗證。
　　充氣梁在彎曲載荷作用下產(chǎn)生局部壓應力,彎曲載荷達到起皺載荷時充氣梁產(chǎn)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(chǎn)生、褶皺擴展、剛度退化機理以及網(wǎng)格增強結(jié)構(gòu)進行了理論研究、數(shù)值模擬和試驗研究,主要內(nèi)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(shù)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(nèi)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(chǎn)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(jié)果,結(jié)

4、合有限元數(shù)值模擬,驗證變截面充氣梁褶皺區(qū)域產(chǎn)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(chǎn)生擴展分析方法基礎(chǔ)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(guān)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(shù)值模擬結(jié)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(chǔ)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(shù)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(jié)構(gòu)形式的充氣梁承載特性進行了數(shù)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(jié)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(jié)構(gòu)承載性能高效率分析和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
　　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(wǎng)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(wǎng)格增強充氣梁,本文首先對網(wǎng)格增強充氣梁管壁的表觀工程常數(shù)進行了等效分析,并通過實驗和數(shù)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(jié)構(gòu)承