【摘 要】
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折叠结构在生活、军事、航天航空等多个领域均具有广阔的研究和应用价值。本文把基于平面折纸的缠绕折叠结构引入到航天器太阳帆的结构设计中,缠绕折叠结构可减小航天器发射状态时的体积,从而降低航天器的能耗,因此基于平面折纸的缠绕折叠结构可作为未来高性能太阳帆系统的优选方案之一。本文对缠绕折叠结构的研究包括构型拓扑设计、自由度计算方法、展开过程仿真分析以及考虑厚度的缠绕折叠构型设计。本文基于Miura折纸单元
【基金项目】
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国家自然科学基金优秀青年基金项目（51822805）； 国家自然科学基金联合基金项目（U1937202）； 江苏省自然科学基金优秀青年基金（BK20170083）； 江苏省六大人才高峰项目（JZ-001）；
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折叠结构在生活、军事、航天航空等多个领域均具有广阔的研究和应用价值。本文把基于平面折纸的缠绕折叠结构引入到航天器太阳帆的结构设计中,缠绕折叠结构可减小航天器发射状态时的体积,从而降低航天器的能耗,因此基于平面折纸的缠绕折叠结构可作为未来高性能太阳帆系统的优选方案之一。本文对缠绕折叠结构的研究包括构型拓扑设计、自由度计算方法、展开过程仿真分析以及考虑厚度的缠绕折叠构型设计。本文基于Miura折纸单元与中心轮毂的连接方式系统研究了平面折叠结构的拓扑,折叠出相应的实物模型,并分析了缠绕折叠结构的拓扑方案。建立典型折纸构型的约束方程,通过对构型约束方程进行一阶求导得到Jacobian矩阵,再计算求得Jacobian矩阵的零空间向量,该零空间向量的维数即为体系的自由度数目。对于非刚性折纸结构（自由度数目小于零）,利用几何方法求解构型顶点在空间运动过程中的位置解,得出折痕的长度变化,最后提出通过附加折痕或裁剪的方法使非刚性折叠构型转化为刚性折叠构型的可行方案。基于太阳帆的工程背景及工程需求,从缠绕折叠构型拓扑方案中初选出具有代表性的三种缠绕折叠方案进行缠绕展开过程分析,采用折叠率、折叠次数、折痕数量和折痕指数多个量化指标来综合分析不同缠绕折叠方案;通过3D3S钢结构设计软件对初始缠绕折叠模型的膜边缘进行形状优化,采用ABAQUS有限元软件仿真分析展开过程中的应力、能量变化、平整度指标和展开驱动方式的有效性和展开后成形情况,最终优选出一种缠绕折叠方案,并对优选方案进行折痕加密和驱动点加密的仿真分析,研究折痕加密及驱动点加密对其展开过程的影响规律。考虑太阳帆缠绕折叠过程中厚度的影响,将厚度效应引入,对零厚度理论推导公式进行修正,最终得出修正后的考虑厚度影响的缠绕折叠折痕方案几何设计方法;采用程序化语言实现太阳帆缠绕折叠结构的折痕设计,通过多个程序算例得出不同几何特征参数对构型的折叠前整体半径、折叠后整体半径、折叠后高度的影响规律,进一步分析得出不同构型的折叠率差异,同时对比分析小曲率型折痕构型和大曲率型折痕构型的折叠率差异及原因;最后加工制作小曲率型和大曲率型缠绕折叠模型,试验验证仿真分析结果和程序输出结果。
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