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空间薄膜结构皱曲行为与特性研究

作　者: 王长国
导　师: 杜星文
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程力学
关键词: 空间薄膜结构褶皱屈曲数字摄影测量修正位移分量法
分类号: O484.2
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 351次
引　用: 2次
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内容摘要

超大超轻型空间薄膜结构因其能够显著的降低装载体积和发射费用,已成为目前国际航天领域关注的焦点。褶皱是这种结构中一种常见的形变状态,它是影响结构性能的主要因素之一,且在高精度薄膜结构的设计中,褶皱已被认为是一种失效模式。开展褶皱研究需要综合运用薄膜结构力学、非线性力学、屈曲理论和动力学等多门学科的知识,因此,薄膜结构褶皱问题的研究具有重要的理论研究和工程应用价值。本文提出了一种新的标靶成型技术——“点印标靶”,将其引入数字摄影测量技术实现了对小幅度褶皱的精确测量。对薄膜结构的皱曲行为进行了系统的试验研究,获得了褶皱的引发机理和演化过程的变化规律。对褶皱的演化过程进行了阶段性划分,并有针对性地分析了每个阶段的皱曲行为特点和演变机理。模型稳定性是影响褶皱数值分析收敛性的关键,本文提出修正位移分量法——通过拆分位移解并联合修正临界点处的方程,从根本上消除了分叉时刚度矩阵的奇异性。引入适当的屈曲模态作为扰动施加到模型上,将平衡路径从屈曲前的基本路径转移到分叉路径上,使后屈曲路径沿分叉路径发展,成功的将皱曲分析进行到后屈曲阶段。通过将数值方法与有限元软件结合,模拟分析了多种结构形式在不同载荷及边界条件下的褶皱形变,并通过与试验结果的比较证明了数值分析的有效性。采用动力学显式有限元法对充气薄膜结构中褶皱动态响应进行了分析,取得了较好的结果。基于分叉屈曲理论建立了以平面张力形式描述的褶皱判定准则。提出了褶皱分析的非线性大挠度稳定性理论模型,量化表征了薄膜结构皱曲后的应力分布及其与皱曲形变之间的关系。对薄膜结构皱曲行为的演化过程进行了系统的理论分析,得到了皱曲后薄膜中应力的非均匀性及区域性分布规律。分析表明当薄膜中的压应力达到皱曲临界值时褶皱产生。建立了薄膜结构褶皱的形变预报模型,获得了褶皱波长和幅度的表述形式及其变化规律,通过与试验及有限元结果的比较证明了模型的正确性和有效性。基于褶皱形变预报模型,预报了不同载荷及边界条件作用下不同结构形式中的褶皱形变,都取得了较好的结果,进而验证了本文中的褶皱形变预报模型具有良好的普遍适用性和拓展性。本课题的研究将为空间薄膜结构设计和分析提供理论依据,是空间薄膜结构形面精度预测和控制的主要参考,为进一步开展空间环境下大型薄膜结构皱曲行为研究奠定基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-41
  1.1 课题来源以及研究的目的和意义  14-15
  1.2 空间薄膜结构中的褶皱现象  15-17
  1.3 薄膜结构褶皱的研究现状及分析  17-38
    1.3.1 薄膜结构褶皱的理论分析方法  17-28
    1.3.2 薄膜结构褶皱的数值分析  28-36
    1.3.3 薄膜结构褶皱的试验研究  36-38
  1.4 薄膜结构褶皱研究现状评述  38-39
  1.5 本文的主要研究内容  39-41
第2章薄膜结构皱曲试验研究  41-61
  2.1 引言  41-42
  2.2 试件  42-43
    2.2.1 试件的设计  42-43
    2.2.2 试件的成型  43
  2.3 拉皱试验  43-47
    2.3.1 试验装置  43-44
    2.3.2 应变获得  44
    2.3.3 收缩系数  44-46
    2.3.4 材料性能试验  46-47
  2.4 褶皱形变测量  47-54
    2.4.1 褶皱测量方案  47
    2.4.2 褶皱形变的数字摄影测量法  47-54
  2.5 薄膜结构皱曲行为试验结果和分析  54-59
    2.5.1 薄膜结构皱曲临界载荷判定  55-56
    2.5.2 褶皱形成及扩展规律  56-59
    2.5.3 褶皱产生及演化机理  59
  2.6 本章小结  59-61
第3章褶皱数值分析和模拟  61-85
  3.1 引言  61
  3.2 褶皱数值计算  61-68
    3.2.1 本征值屈曲分析  62-64
    3.2.2 非线性皱曲有限单元分析  64-68
  3.3 褶皱的数值模拟  68-74
    3.3.1 关键技术  68-70
    3.3.2 分析步骤  70-71
    3.3.3 皱曲试验的数值模拟  71-74
  3.4 褶皱数值分析的拓展应用  74-78
    3.4.1 矩形薄膜结构单边局部面内拉伸  75-76
    3.4.2 圆环薄膜结构内边缘平面内扭转  76-78
  3.5 充气结构褶皱模拟研究  78-84
    3.5.1 动力学显式有限元方法  78-80
    3.5.2 充气薄膜结构褶皱的模拟分析  80-84
  3.6 本章小结  84-85
第4章薄膜结构皱曲行为的理论研究  85-98
  4.1 引言  85-86
  4.2 薄膜结构皱曲临界载荷预报  86-89
  4.3 褶皱的非线性稳定性理论模型  89-95
    4.3.1 非线性大挠度稳定性理论  90-91
    4.3.2 皱曲行为预报模型  91-94
    4.3.3 皱曲后的应力分布  94-95
  4.4 皱曲试验的理论分析  95-96
  4.5 本章小结  96-98
第5章薄膜结构褶皱形变的预测  98-111
  5.1 引言  98-99
  5.2 褶皱形变预测方法  99-101
    5.2.1 褶皱波长  99-100
    5.2.2 褶皱幅度  100-101
  5.3 皱曲试验模型的形变预测  101-106
  5.4 褶皱预测方法的拓展应用  106-110
  5.5 本章小结  110-111
结论  111-113
参考文献  113-125
附录  125-128
攻读博士学位期间所发表的学术论文  128-133
致谢  133-134
个人简历  134

空间薄膜结构皱曲行为与特性研究

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