【摘 要】
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近年来,随着航天事业的不断发展,薄膜结构广泛应用于太阳帆、遮光罩、薄膜天线、太阳能电池阵等空间结构。空间薄膜结构有着大型化、轻量化、柔性化的发展趋势,因此对空间薄膜结构的材料、加工制备技术、折叠展开技术等提出了更高的要求。本文对采用对接拼接制备而成的平面薄膜结构进行研究,包括带拼缝薄膜试件的力学性能与拉伸皱曲现象研究、平面薄膜结构折叠过程分析以及平面薄膜结构找形与张拉分析。首先,对厚度0.025m
【基金项目】
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国家自然科学基金航天联合基金重点项目（U1937202）; 国家自然科学基金优秀青年基金（51822805）; 国家自然科学基金面上项目（51878147）
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近年来,随着航天事业的不断发展,薄膜结构广泛应用于太阳帆、遮光罩、薄膜天线、太阳能电池阵等空间结构。空间薄膜结构有着大型化、轻量化、柔性化的发展趋势,因此对空间薄膜结构的材料、加工制备技术、折叠展开技术等提出了更高的要求。本文对采用对接拼接制备而成的平面薄膜结构进行研究,包括带拼缝薄膜试件的力学性能与拉伸皱曲现象研究、平面薄膜结构折叠过程分析以及平面薄膜结构找形与张拉分析。首先,对厚度0.025mm的聚酰亚胺薄膜和拼缝区域宽度25mm的薄膜试件进行了材性试验,测得了薄膜和拼缝区域的弹性模量。设计了长宽比4:1、3:1、2.5:1、2:1的矩形纯膜试件与拼缝区域宽度25mm的薄膜试件,通过单轴拉伸试验,得到了试件在5mm/min单向加载情况下的位移-载荷及应力-应变关系曲线等,并借助非接触数字图像相关测量技术（digital image correlation,DIC）获得了试件的面外变形值。选取了薄膜试件横截面中心线上的点进行了面外变形的分析。此外还设计了拼缝区域宽度为12.5mm的薄膜试件,试验结果表明只有宽度25mm拼缝区域能够提供足够的粘结力。在试验的基础上,进行了数值仿真模拟,并通过试验与仿真的对比,验证了有限元分析的准确性。其次,基于铰接杆系机构的运动过程分析方法,通过MATLAB求解了一种方形轮毂刚性缠绕构型的运动过程,将计算所得的刚性位移代入ABAUQS进行分析,分析结果表明按照刚性位移驱动方式,薄膜结构可以实现低应力折叠,且折叠效果好。对于六边形轮毂非刚性缠绕构型,通过增加折痕的方式将其转化为刚性构型,分析结果表明通过增加折痕进行转化的折叠过程结构应力较低。但存在非刚性构型转化成刚性构型计算所得的折叠过程在未完全收拢时出现板单元接触的情况,由于板单元接触后MATLAB计算终止,此种情况将通过刚性位移驱动与附加位移驱动两个阶段实现完整的缠绕折叠。此外还研究了拼缝布置在谷折痕处和拼缝布置在非折痕区域两种方式对于折叠过程的影响。最后,采用有限元软件RFEM和ABAQUS联合仿真的方式对平面薄膜结构进行张拉分析与优化分析,并用ABAQUS验证了RFEM找形结果的正确性。实际工程中遮阳屏结构仅通过施加索力张拉结构,因此对遮阳屏结构在找形形态的基础上进行张拉分析,结果表明薄膜应力不均匀且较小,边缘形态也有一定的差别。针对此种情况提出了一种优化思路,主要包括应力优化和边缘形态优化两部分。此外,研究了拼缝布置方式以及拼缝数量对于结构的影响,并对考虑拼缝影响的遮阳屏结构进行了优化分析。
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