空间充气管展开过程仿真及模态分析

摘要

空间充气展开结构具有重量轻、折叠体积小等显著优点，在大型空间结构如大型空间天线、太阳帆板等领域有广阔的应用前景。充气展开管是空间充气结构的基本部件和重要的支撑部件。
　　空间充气展开结构的空间实验花费往往极为昂贵，而由于重力和大气压力的影响，充气结构的地面实验又很难模拟实际空间工作环境，微重力和真空环境也很难在较大空间内同时实现。所以，计算机模拟其展开过程成为了此项研究工作的重要辅助手段。
　　本文通过建立空间充气展开结构的控制方程，详细讨论了空间充气管展开过程仿真分析的接触非线性问题、罚函数法和控制体积法的基本原理。然后，基于LS-DYNA970中的Airbag模型，建立了卷曲折叠空间充气展开管的有限元模型，运用控制体积法将充气管离散为若干连续的腔，成功模拟了其充气展开过程，并研究了不同充气速率对充气管展开过程的影响规律。
　　同时，针对较长充气管展开过程的控制性较差，从仿真模拟的角度提出了一种塑性搭接扣的约束方式，以提高充气管展开过程的可控性和稳定性，并模拟成功。之后，设计并完成了相关实验，为工程实践中稳定控制空间充气展开结构的展开过程起到了指导性作用。
　　本文还分别从理论和模拟两个角度对展开后，作为支撑结构的充气管进行了模态分析，考察了不同充气压力对充气支撑管的固有频率的影响规律。
　　研究结果表明：本文提出的分别针对短、长卷曲折叠充气管的建模方法是有效的；在充气管展开过程中，充气速度越大，展开的速度越快，但由于阻尼损耗，二者并非线性关系；充气速度过大不利于结构展开过程的稳定性；充气支撑管的气压越大其固有频率越高，但影响效果很小。

目录

空间充气管展开过程仿真及模态分析

SIMULATION AND MODEL ANALYSIS FORSPACE INFLATABLE TUBES

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外在该领域的研究现状综述

1.2.1 国内外空间充气结构研究领域中充气管的应用状况

1.2.2 空间充气管展开过程仿真分析技术国内外研究现状

1.3 存在的不足及待解决的问题

1.4 本文主要研究内容

第2章 空间充气结构仿真分析理论基础

2.1 引言

2.2 有限元法求解充气管展开非线性动力学问题

2.2.1 控制方程的建立

2.2.2 边界条件

2.2.3 有限元离散

2.3 空间充气管仿真分析的接触非线性问题

2.4 控制体积法

2.5 罚函数法

2.6 本章小结

第3章 卷曲折叠充气管展开过程动力学仿真

3.1 引言

3.2 问题描述

3.3 卷曲折叠短充气管的展开过程的模拟分析

3.3.1 模拟流程

3.3.2 建立薄膜直管的有限元模型

3.3.3 几何卷曲折叠建立卷曲管模型：

3.3.4 充气展开过程仿真

3.4 卷曲折叠长充气管的展开过程的模拟分析

3.4.1 卷曲折叠长充气管有限元模型的建立

3.4.2 充气展开过程仿真

3.5 增加约束的卷曲折叠长充气管展开实验

3.6 本章小结

第4章 充气展开支撑管的模态分析

4.1 引言

4.2 模态分析的理论基础

4.3 充气管模态分析的解析求解

4.4 模态分析的有限元方法

4.4.1 有限元方法的求解步骤

4.4.2 充气支撑管的有限元模型

4.4.3 4.5m充气支撑管的基本模态图

4.4.4 充气压力对固有频率的影响

4.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致 谢