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空间薄膜褶皱及其动态特性研究
作 者: 李云良
导 师: 谭惠丰
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 工程力学
关键词: 空间薄膜结构 褶皱 应力极值法 屈曲 振动
分类号: V259
类 型: 博士论文
年 份: 2008年
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内容摘要
褶皱作为薄膜的局部屈曲现象,在空间薄膜结构中广泛存在。对于高精度的薄膜结构来说,褶皱是影响其表面精度的主要因素。同时,褶皱产生以后将影响到结构的稳定性,并对结构的动态特性产生一定的影响。目前随着航天领域中高精度薄膜结构应用研究的发展,薄膜褶皱研究已成为热点。张力场理论是较早提出的薄膜褶皱分析理论,通过引入参数对薄膜褶皱区域的本构关系进行修正,以避免薄膜中压应力的出现。基于张力场理论很好的解决了张拉膜结构的褶皱问题。由于基于张力场理论的薄膜褶皱分析不能得到褶皱的面外变形信息,因此不符合高精度空间薄膜结构的褶皱分析要求。为了准确描述薄膜褶皱的面外变形,本文提出了褶皱构形的概念,采用波长,幅度及褶皱方向等参数来描述褶皱构形。根据非线性大挠度方程建立了薄膜褶皱构形参数研究的一般性方法—应力极值法,建立了褶皱半波长与褶皱方向拉应力的关系模型,确定了褶皱构形参数之间的关系。采用应力极值法进行褶皱分析时,避开了褶皱具体变形形式的假定,具有很好的通用性。根据应力极值法,研究了剪切薄膜褶皱和对角张拉矩形薄膜褶皱,得到了褶皱构形参数。将薄膜产生褶皱的过程分为初始屈曲过程和后屈曲过程两个阶段,对两个不同阶段褶皱形成和扩展的机理进行了理论分析。建立了初始屈曲过程剪切薄膜的临界载荷公式,并分析了初始屈曲过程褶皱的形成和扩展规律。对于后屈曲过程的分析,将初始缺陷引入到薄膜褶皱的分析之中,建立了具有初始缺陷的薄膜褶皱的分析模型,分析了褶皱区域的应力分布规律。根据褶皱区域应力分布规律,分析了后屈曲过程褶皱的扩展机理。结合理论分析,讨论了后屈曲过程中可能出现的二次屈曲现象。基于稳定性理论,建立了薄膜褶皱的数值分析方法—直接扰动法,解决了采用常规的非线性屈曲分析引入的初始缺陷无法去除的问题。采用直接扰动法,分析了薄膜初始屈曲过程的临界载荷和褶皱的形成及扩展规律。得到了后屈曲过程薄膜褶皱的构形参数。分析了薄膜屈曲的平衡路径。通过数值方法研究了初始屈曲过程及后屈曲过程中的二次屈曲现象。并将数值分析结果与理论分析结果进行了对比分析,结果符合较好。采用数字摄影测量法进行了剪切薄膜褶皱的实验研究。通过数字摄影测量系统实现了薄膜微小面外变形的非接触式的测量。设计了适合高精度测量要求的剪切薄膜的实验装置,该装置可以实现精确的加载过程控制,便于对薄膜屈曲全过程的分析。采用高精度的数字摄影测量系统获得了褶皱的构形及构形参数,在实验中观测到了二次屈曲现象。通过与数值分析结果进行的对比分析,验证了数值分析方法的合理性。对薄膜屈曲后的动态特性进行了分析。建立了具有褶皱面外变形的薄膜振动的特征值方程,并基于直接扰动法建立了动态分析的数值方法。基于该方法分析剪切褶皱薄膜和对角张拉矩形褶皱薄膜的振动特性。分析了褶皱形成以后薄膜振动的固有频率和主振型的变化规律,及褶皱幅度对于动态特性的影响,研究了褶皱薄膜的振动模态与薄膜褶皱构形的对应关系。本文对薄膜褶皱的形成过程及形成机理进行了研究,研究了薄膜褶皱的变形特性及薄膜屈曲后的动态性能。为空间薄膜结构的形面精度控制、稳定性控制及振动控制的深入研究提供了理论依据。
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全文目录
摘要 4-6 Abstract 6-15 第1章 绪论 15-32 1.1 课题来源以及研究的目的和意义 15-17 1.2 国内外的研究现状及分析 17-29 1.2.1 薄膜褶皱的预测研究 18-21 1.2.2 二次屈曲现象研究 21-24 1.2.3 后屈曲动态特性研究 24-29 1.3 研究现状评述 29-30 1.4 本文的主要研究内容 30-32 第2章 基于张力场理论的薄膜褶皱分析模型 32-45 2.1 引言 32 2.2 薄膜应力-应变关系 32-34 2.3 张力场理论 34-35 2.4 薄膜褶皱分析模型 35-43 2.4.1 修正变形梯度张量法 35-40 2.4.2 修正本构矩阵法 40-42 2.4.3 杆索离散法 42-43 2.5 本章小结 43-45 第3章 薄膜褶皱构形参数 45-60 3.1 引言 45 3.2 稳定性理论 45-48 3.2.1 稳定性的定义 45-46 3.2.2 稳定性问题的分类 46-47 3.2.3 近代稳定性理论 47-48 3.3 薄膜屈曲过程 48 3.4 褶皱构形分析的应力极值法 48-53 3.5 剪切薄膜褶皱构形参数 53-57 3.6 对角拉伸正方形薄膜褶皱构形参数 57-59 3.7 本章小结 59-60 第4章 薄膜褶皱形成及扩展机理 60-74 4.1 引言 60 4.2 初始屈曲过程 60-64 4.2.1 临界剪切距离 60-63 4.2.2 褶皱形成及扩展规律 63-64 4.3 具有初始缺陷的薄膜平衡方程 64-68 4.4 褶皱薄膜中的应力分布 68-73 4.5 后屈曲过程 73 4.6 本章小结 73-74 第5章 直接扰动法的薄膜褶皱分析 74-101 5.1 引言 74 5.2 求解稳定性问题的非线性有限元法 74-77 5.3 褶皱分析的直接扰动法 77-86 5.3.1 直接扰动法 78-79 5.3.2 收敛控制方法 79-81 5.3.3 单元尺寸与扰动敏感性 81-86 5.4 理想薄膜初始屈曲过程 86-89 5.4.1 褶皱的形成过程 86-87 5.4.2 临界剪切距离 87-89 5.5 理想薄膜的后屈曲过程 89-93 5.5.1 褶皱的扩展 89-91 5.5.2 褶皱构形参数 91-92 5.5.3 应力分析 92-93 5.6 理想薄膜屈曲平衡路径 93-95 5.7 缺陷薄膜的二次屈曲现象 95-100 5.7.1 初始缺陷与二次屈曲 95-98 5.7.2 不同加载过程与二次屈曲 98-99 5.7.3 二次屈曲分析 99-100 5.8 本章小结 100-101 第6章 薄膜褶皱构形的实验研究 101-112 6.1 引言 101 6.2 实验装置设计 101-102 6.3 实验步骤 102-104 6.4 薄膜褶皱构形 104-107 6.5 褶皱构形参数 107-110 6.5.1 褶皱幅度 107-109 6.5.2 褶皱角度 109-110 6.6 二次屈曲现象 110-111 6.7 本章小结 111-112 第7章 褶皱薄膜振动分析 112-126 7.1 引言 112 7.2 褶皱薄膜振动微分方程 112-116 7.3 数值分析流程 116-117 7.4 剪切褶皱薄膜的动态特性 117-121 7.4.1 不具有褶皱薄膜的动态特性 117-118 7.4.2 剪切褶皱薄膜的动态特性 118-121 7.5 矩形褶皱薄膜的动态特性 121-125 7.5.1 小幅褶皱情况下的振动 123-124 7.5.2 大幅褶皱情况下的振动 124-125 7.6 本章小结 125-126 结论 126-128 参考文献 128-141 攻读学位期间发表的学术论文 141-143 致谢 143-144 个人简历 144
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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空用材料 > 其他特种用途的材料
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