【摘 要】
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薄壁柔性管铰链是一种可用于航空航天的新型可展开结构,具有结构简单、展开可信度高、驱动性能好以及自我锁定强等优点。管铰链的正常展开直接关系到航空器运行性能与航天任务的成败,因此对其工作时的力学性能研究至关重要。与此同时,随着航空航天任务对可展结构性能要求的不断提高,具有比强度、比刚度大的复合材料在航空航天任务中得到较好地应用。然而复合材料属于脆性材料,在其应用于管铰链展开结构后,受到弯曲折叠载荷过程
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薄壁柔性管铰链是一种可用于航空航天的新型可展开结构,具有结构简单、展开可信度高、驱动性能好以及自我锁定强等优点。管铰链的正常展开直接关系到航空器运行性能与航天任务的成败,因此对其工作时的力学性能研究至关重要。与此同时,随着航空航天任务对可展结构性能要求的不断提高,具有比强度、比刚度大的复合材料在航空航天任务中得到较好地应用。然而复合材料属于脆性材料,在其应用于管铰链展开结构后,受到弯曲折叠载荷过程中可能会发生损伤和失效,这些局部失效的产生与扩展会使复合材料管铰链的承载能力降低,从而严重影响管铰链的正常折叠与展开,降低管铰链力学性能。因此,本文针对考虑复合材料损伤的管铰链力学性能进行了材料失效分析,研究了管铰链几何参数对其力学性能的影响规律,随后针对管铰链结构进行了参数优化设计,最终基于拓扑优化理论对管铰链进行了新结构设计。研究结果对提高薄壁管铰链空间可展开结构的稳定性和可靠性具有重要的理论意义和工程应用价值。本文主要从以下几个方面对复合材料管铰链可展结构进行研究:(1)建立了复合材料损伤的带簧单元力学模型,基于HASHIN失效准则,模拟了带簧单元纯弯曲与动态展开过程中损伤萌生及扩展过程,验证了复合材料应用于可展结构的可行性。研究了考虑损伤的复合材料带簧单元纯弯曲与动态展开中失效模式、危险点位置及力学性能,分析了壳模型与实体模型管铰链失效模式与力学性能的差异。(2)建立了复合材料管铰链结构力学模型,针对管铰链纯弯曲折叠过程,采用田口法对复合材料管铰链力学性能进行了参数敏感性分析。基于控制变量法,分析了在管铰链准静态折叠过程中不同几何参数:槽长、槽宽、槽孔直径对复合材料管铰链临界弯矩、稳态弯矩、最大应变能、最大损伤因子等力学性能的影响,并得出其参数影响规律,确定了影响复合材料管铰链力学性能的关键参数。(3)基于响应面方法,建立了复合材料管铰链准静态折叠过程的多目标优化设计模型并求解。以复合材料管铰链应变能最大、临界弯矩最小为优化目标,以损伤因子为约束,采用改进遗传算法进行求解分析,得到了可行解的分布。依据线性权重法对优化解集进行再次筛选,获得了折叠力学性能最佳的复合材料管铰链的优化结构。(4)采用数值模拟方法分析了复合材料管铰链的动态展开过程,研究了以展开性能最佳为目标的管铰链优化设计方案。详细分析了管铰链不同几何参数:槽长、槽宽、槽孔直径对其展开时过冲角、展开时间、振动次数对其展开过程的影响规律。通过正交设计方法,利用响应面方法建立了以管铰链过冲角最小为优化目标的优化设计模型,采用尺度广义约化梯度优化算法求解优化模型,获得了展开性能最佳的复合材料管铰链的优化结构。(5)基于拓扑优化理论,设计了一种新型复合材料管铰链结构。采用管铰链关键时刻受力条件,以柔顺度最小为优化目标,建立了复合材料管铰链的拓扑优化模型,基于Optistruct软件对管铰链槽孔形状进行了拓扑优化设计,比较分析了拓扑优化结构与经典参数优化结构的异同,获得了新型管铰链几何构型设计
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