气枕式充气膜结构形态与受力分析

为解决气枕式充气膜结构在荷载作用下的变形问题,采用非线性有限元方法对气枕式充气膜结构进行形态分析的基本方法.气枕式充气膜结构的形态分析分为两个阶段:即找形分析与找态分析,由此可得到满足相应要求的几何模型与应力状态.假设密封气枕内质量一定的气体满足理想气体状态方程,在荷载作用下,内压随着体积的变化而变化.给出在一定压力作用下半球状气枕的验证算例并与材料力学中给出的理论解进行比较;基于该方法,另对气枕式充气膜结构在不同外荷载作用下的受力状态进行分析并给出相应的算例,计算结果表明采用理想气体状态方程可以模拟在外部荷载作用下气枕的变形、应力状态以及内压变化情况,且是合理有效的并具有较高的准确性.     

充气薄膜结构的SMS展开分析方法

为有效分析充气薄膜结构的展开,提出基于能量原理分析充气薄膜结构展开的SMS方法,即弹簧-质点系统方法.对卷曲折叠充气直管采用SMS方法进行数值模拟,并与实验结果进行对比分析,发现其结果吻合良好,验证了这种方法的正确性.运用SMS方法分析不同充气速率对卷曲折叠充气管展开过程的影响以及充气圆环管和充气膜面的展开过程及动力性能.与传统的有限元方法比较,SMS方法建模简单,思路清晰,数值稳定性好.     

充气膜结构有限元找形的体积微分法

为确定充气膜结构找形分析时,在内压已知情况下膜面张力的大小,根据多元函数泰勒展开公式推导了该类结构充气膨胀的体积微分方程,并由基于U.L.格式的非线性有限单元法,建立了以节点位移和膜面初始张力为未知量的平衡方程,编制了在给定内部气压及膨胀体积情况下的找形分析程序。对球面及圆柱面充气膜结构进行了找形计算,得到的数值结果与由球面及圆柱面的矢高、内压、初始张力相互关系得到的理论解进行比较并得到了验证。计算结果表明,提出的基于有限元的体积微分法可有效的用于充气膜结构的找形分析。     

空间碎片充气展开防护结构的模态分析

为解决目前机械式展开防护屏存在的固有问题,提出了一种新型可充气展开防护结构,并研究了该充气展开防护结构的动力学特性.对充气展开防护结构频率的影响因素进行了理论分析,通过有限元软件ANSYS进行了防护结构的模态分析,并研究了支撑管结构参数对防护结构动态特性的影响,得到了充气管直径以及充气管壁厚度等尺寸参数对充气结构模态的影响规律.分析结果表明,理论分析与模拟结果相一致,并且充气支撑管的直径和厚度对防护结构的模态有着重要影响.     

充气太空结构及其展开模拟研究

充气太空结构是以柔性薄膜材料制造的可充气展开的一种新型太空结构．与传统太空结构相比,应用充气结构技术的太空结构不仅更大,而且具有发射体积小、重量轻、造价低的特点．介绍了相关的研究进展和应用前景,总结了涉及充气太空结构的主要关键技术,并利用多体理论模型对充气太空管的展开过程进行了初步模拟,得到了展开过程中的展开速度和加速度随时间的变化关系．通过与已发表的试验结果进行对比。验证了模拟的有效性．     

卷曲折叠充气管展开过程的数值分析及实验研究

采用基于能量函数的弹簧-质点模型,对卷曲折叠充气管的充气展开弯矩进行推导,考虑在充气管展开过程中薄膜自接触以及充气管中加劲钢卷尺产生的弯矩.通过Fortran语言编程对卷曲折叠充气管的充气展开过程进行数值模拟,并与利用气浮导轨消除重力,对同样条件的卷曲折叠充气管在不同时刻的展开速率的测试结果进行对比.数值分析与实验结果吻合良好,说明弹簧-质点模型方法能够很好地模拟卷曲折叠充气管的展开过程和动力性能.与传统的有限元方法相比,弹簧-质点模型方法的优点是建模简单,能够有效分析复杂充气结构的展开.研究不同充气速率对充气管的展开动力性能的影响,分析表明,充气速率增大,同一时刻的展开速率明显增大.     

充气平面天线结构展开过程仿真分析

针对平面天线的充气支撑管,提出了一种分段式充气控制体积方法.在LS-DYNA软件基础上,模拟了Z形折叠充气平面天线结构在无重力环境下的充气展开;分析了该过程中充气支撑管的每个折叠段的体积和内部压力变化、上横梁的动力学特征、以及展开后反射面褶皱情况等;并研制了样机.结果表明本文计算能够很好地模拟充气平面天线结构的展开全过程,可为空间展开预报提供依据.     

充气可展开天线的反射面设计及精度测量

为实现高精度的充气可展开天线反射面，基于薄膜理论和弹性力学进行保形设计，在已知充气气压和变形后抛物面参数条件下求得充气变形前的形面.基于变形前的无应力形面进行裁剪设计，利用改进的弹簧质点系统展开曲面片，将裁剪片拼接得到高精度的充气反射面.将该方法运用于2 m口径反射面模型的研制，利用PhotoModeler软件建立非接触摄像测量系统，进行3种实验姿态下的测量实验.通过反复的测量和形面调整，在指平姿态下反射面的最终精度为1.83 mm，验证了高精度充气薄膜反射面的可实现性.     

膜结构大变形分析的向量式有限元4节点膜单元

基于向量式有限元基本原理,首先推导了4节点膜单元的基本公式,详细阐述了通过逆向运动获得单元节点纯变形位移的过程,以及进一步通过变形坐标系获得单元节点内力的求解方法;同时对4节点膜单元的位置模式和内力计算的数值积分等问题提出了合理可行的处理方法。在此基础上编制了4节点膜单元的计算分析程序,通过算例分析验证了理论公式和所编制程序的正确性和有效性,进而将本文方法应用于气枕充气和布料悬垂等膜结构大变形大转动问题的计算分析。     

基于充气梁理论的充气桁架屈曲行为分析

为了研究在空间充气展开结构中作为承力结构的充气桁架的屈曲行为,利用充气梁理论建立了充气桁架的屈曲分析模型,重点分析了屈曲模态特性及充气桁架主要结构参数对屈曲行为的影响.分析结果表明,径向载荷个数和压强对屈曲行为的影响很小,屈曲载荷受横截面半径的影响很大.为充气桁架结构的设计优化提供依据.     

充气膜结构泄气过程的摄影测量实用方法

针对充气膜结构测量难问题,提出采用摄影测量的方法来获取试验数据。在泄气过程中利用摄影测量原理获得膜面标志点的坐标,通过膜面上的各个标志点的位移情况来模拟近似膜面的整体变形情况,从而获得泄气不同时刻膜面整体下降形态,试验研究成果与理论值趋势相同,证明大型结构采用动态摄影测量的可行性。     

A simple analytical method for deflation prediction of inflatable structures

The static performance of inflatable structures has been well studied and the dynamic deployment simulation has received much attention. However, very few studies focus on its deflation behavior. Although there are several dynamic finite element algorithms that can be applied to the deflation simulation, their computation costs are expensive, especially for large scale structures. In this work, a simple method based on classic thermodynamics and the analytical relationship between air and membrane was proposed to efficiently analyze the air state variables under the condition of ventilation. Combined with failure analysis of static bearing capacity, a fast incremental analytical method was presented to predict both elastic and post wrinkling deflation process of inflatable structures. Comparisons between simplified analysis, dynamic finite element simulation, and a full-scale experimental test are presented and the suitability of this simple method for solving the air state and predicting the deflation behavior of inflatable structures is proved.     

充气式索膜结构的找形分析

充气膜结构本身需要通过压差作用才能形成完整的结构,从而具备一定的刚度来支撑自重和外载荷.为加强结构的承载能力,通常会增设强度更大的索结构进行调整. 对于充气式索膜结构,找形分析在形状设计和优化中具有十分重要的作用,而压差对结构的形态分布有显著的影响,是找形分析中的重要因素. 针对充气式索膜结构受压差作用的特点,基于非线性有限元找形方法,提出压差预置法的概念,并且与节点平衡法相结合来实现优化.在此基础上,针对飞艇索膜结构的具体设计要求,提出了多目标优化的找形分析方案,先结合使用压差预置法和节点平衡法,寻找出满足索和膜结构的应力比值的几何外形;然后,通过等比例缩放的方法调整大小,最终得出满足设计体积大小的几何形状. 结果表明,采用该方法找形后的索的应力为找形前的2倍,更加充分的发挥了增强索的承载作用,同时,膜的最大应力有所降低,应力分布更加均匀,整体结构的承载能力得到了加强,对于解决实际工程问题具有重要的参考意义.     

Shape analysis and optimization of airbag for space inflatable antenna

The characteristics of normal inflatable antennas are described in this paper.For its deficiency such as low stiffness,a new-style of rigid-flexible coupling inflatable antenna is introduced.The advantages and system-composition are presented.Airbag is an important component,and the shape and stress distribution of airbag is important for the whole structure.Thus,shape-state analysis is performed.The uniformity of constrained force at joint between airbag and rib will impact the state of joint,or even the deployment process.Therefore,a shape optimization of airbag is developed on the base of genetic algorithms,and the best shape of airbag is finally obtained.Therefore,the stress distribution of airbags will be uniformed and the antenna structure system will be more reliability.     

新型陆基充气球天线力学分析与测试

为了实现适用于应急通讯的天线系统,研究一种新型充气球天线结构.充气天线包括充气球,抛物反射面,固定索和馈源,通过调节上下球体气压差形成抛物反射面,天线系统能够在较短时间内展开成工作状态.通过自编程序设计一个1.35 m口径的抛物面天线,并进行静、动力学分析,研制相应的原理样机,研究气压差对反射面变形的影响以及在气压差一定的情况下气压对结构动力性能的影响.基于PhotoModeler Pro.5测量软件对充气展开后的形面精度进行测试,实验证明能够达到理想的精度,采用非接触视频测量方法测量结构一阶振动频率,结果表明,理论与实验结果吻合的比较好,可以为充气天线的设计制作提供指导.     

薄膜充气管的有限变形分析

为了考察薄膜充气管在膨胀过程中内压的变化问题,建立了各向同性薄膜充气管膨胀的力学模型.对不可压缩薄膜充气管,给出了内压与主伸长的函数关系.讨论了本构参数的影响,研究了平面应变时的特殊情形.对可压缩薄膜充气管,通过引入泊松函数的概念来施加对可压缩薄膜充气管的体积控制关系,进而得出了内压与主伸长的显函数关系,且能方便地退化成不可压缩时的情形;同时给出了本构参数及泊松比对这种显函数关系的影响.结果表明:2种情形下的薄膜充气管,其内压均先随着主伸长的增大而增大,当达到某极大值后,再随着主伸长的增大而减少;本构参数n对这种变化趋势的影响较大;而对可压缩薄膜充气管,泊松比γ0也对这种变化趋势有着较大的影响.该文可以为薄膜充气管的生产和研制提供一定的理论参考依据.