基于形状记忆复合材料的锁紧释放机构设计与试验研究

摘要

空间可展开帆板结构是空间可展开结构中一个重要的分支，可展开形式的帆板结构可以显著提高太阳能电池的利用率，这对航天器的能源供应起着至关重要的作用。立方体卫星（Cubesats）是一种新兴的空间技术，相比于传统卫星技术，它具有体积小、低成本的特点。随着材料科学的发展，形状记忆聚合物（SMPs）作为一种新型智能材料，逐渐成为研究热点。形状记忆聚合物及其复合材料具有比强度、比刚度高等显著优点，在作为轻质结构承载件的同时还具有特殊的形状记忆效应，可完成特定的功能，在空间可展开结构中具有广阔的应用前景。
　　本文基于一种热固性形状记忆聚合物复合材料，设计并研制了一种由形状记忆复合材料作为驱动部件的空间锁紧释放机构。首先，基于课题组对形状记忆材料的研究基础，阐述了一种形状记忆聚合物及其复合材料的制备方法，并对该形状记忆聚合物进行了动态力学分析（DMA）和静态力学分析，表征出了该材料的基本力学性能。随后对该形状记忆聚合物进行了导热系数及比热容测试，表征了该材料在常温下的基本热学性能。然后，基于上述材料基本性能的研究，结合立方体卫星的实际应用需求，对形状记忆复合材料锁紧释放机构进行了结构建模及工作原理分析，根据理论分析的结果，确定了形状记忆复合材料锁紧释放机构所有组成部件的尺寸、用料。确定形状记忆复合材料锁紧释放机构的工作方式为加热驱动，并据此设计了适于结构使用的康铜-PI加热膜。随后，利用 ABAQUS软件对形状记忆复合材料锁紧释放机构进行了力学仿真分析，验证了结构的安全性。利用UG NX10软件对形状记忆复合材料锁紧释放机构进行了热学仿真分析，确定出了电热膜加热功率及加热时间。进而，在理论和仿真分析结论的基础上，制作出了形状记忆复合材料锁紧释放机构和1：1的立方体卫星实物模型，测试出了形状记忆复合材料在不同温度下的形状固定率及形状回复率，验证了形状记忆复合材料锁紧释放机构的可重复使用性能。最后，还原了卫星装配、储存、运输、发射、入轨过程中的力学环境和热学环境，对装配完成的样星进行了包括长期蠕变测试、振动试验、热循环实验、展开功能试验在内的一系列地面验证试验。
　　本文是对形状记忆复合材料应用于立方体卫星的基础研究。结果证明，该形状记忆复合材料具有良好的材料性能，可以满足空间环境对材料的要求，适合应用于立方体卫星上的可展开太阳能帆板结构。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 空间可展开结构的研究现状

1.3 立方体卫星研究近况

1.4 形状记忆聚合物及其复合材料发展现状

1.5 形状记忆复合材料及其在空间中的应用

1.6 本文的主要研究内容

第2章 形状记忆聚合物及其复合材料的基本性能

2.1 引言

2.2 形状记忆聚合物及其复合材料的制备

2.3 形状记忆聚合物的动态力学分析

2.4 形状记忆聚合物及其复合材料静态力学分析

2.5 形状记忆聚合物及其复合材料热学性能测试

2.6 本章小结

第3章 形状记忆复合材料锁紧释放机构设计与仿真分析

3.1 引言

3.2 形状记忆复合材料锁紧释放机构的设计

3.3 加热驱动方式设计

3.4 形状记忆复合材料锁紧释放机构的力学仿真分析

3.5 形状记忆复合材料锁紧释放机构的热学仿真分析

3.6 本章小结

第4章 形状记忆复合材料锁紧释放机构的试验研究

4.1 引言

4.2 形状记忆复合材料驱动部件的形状固定率测试

4.3 形状记忆聚合物复合材料驱动部件的回复率测试

4.4 形状记忆复合材料驱动部件的可重复性测试

4.5.形状记忆复合材料驱动部件的长期蠕变测试

4.6 形状记忆复合材料锁紧释放机构的振动试验

4.7 形状记忆复合材料锁紧释放机构的热循环实验

4.8 形状记忆复合材料锁紧释放机构展开功能试验

4.9 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢