【摘 要】
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单簧片式空间可展柔性结构以其结构简单、质量轻、无摩擦、能够自动展开和自锁等诸多优点在大型航天空间可展结构中具有广阔的应用前景。作为一种开口圆柱薄壳结构,簧片受载
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单簧片式空间可展柔性结构以其结构简单、质量轻、无摩擦、能够自动展开和自锁等诸多优点在大型航天空间可展结构中具有广阔的应用前景。作为一种开口圆柱薄壳结构,簧片受载时很可能在未达到强度破坏前就已经发生失稳。因此,簧片结构的稳定性直接关系到空间展开结构整体的承载能力,也是决定飞行器能否正常工作的关键。本课题对于单簧片结构的屈曲力学性能进行研究和优化设计具有非常重要的意义和工程应用价值。本文主要从以下几个方面对单簧片结构的屈曲问题进行研究:(1)根据弹性薄壳弯曲理论建立了单簧片结构纯弯状态下的力学模型,通过理论分析和实验的方法研究了簧片正反向折叠过程中弯矩随弯曲角度的变化规律。基于有限元软件ABAQUS采用数值模拟方法分析了簧片厚度、截面圆心角、半径、长度对稳态弯矩和折叠后储存应变能大小的影响规律,并将数值模拟结果与实验结果进行了对比分析,确定了关键影响参数。(2)建立了单簧片结构两端受轴向压缩状态下的有限元模型,采用数值模拟方法对两种不同工况下受压簧片结构的屈曲过程进行了非线性有限元分析。考虑了结构两端简支和两端固支两种工况。采用修正的弧长法,通过引入初始几何缺陷,研究了缺陷尺寸和簧片厚度、截面圆心角、半径、长度对结构屈曲承载能力和后屈曲行为的影响规律。另外,采用CSS-1110型电子万能试验机对单簧片结构进行了压缩实验,将数值模拟结果与实验结果进行了对比分析。(3)基于响应面方法,建立了以单簧片结构厚度、截面圆心角、半径、长度为设计变量,分别以结构驱动能力和屈曲承载能力为目标的优化模型,并进行了优化求解。采用最大差值最小化响应面拟合方法建立了目标函数和约束函数与设计变量之间的关系,利用内点法对优化模型进行了求解,实现了单簧片式空间可展结构的参数优化设计。同时,在上述优化理论和算法的基础上,以ABAQUS软件为求解器,以MATLAB软件为开发平台,利用MATLAB和Python语言编写二次开发程序,实现了单簧片式空间展开结构的模块化设计。
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