基于昆虫羽化发育展开的空间可展结构的研究

摘要

可展开结构作为一种重要结构在航空航天等领域扮演着不可替代的角色。随着航空航天技术的迅猛发展，航天器在太空中所执行任务的复杂性日趋增大，但航天器的承载能力十分有限，这无疑限制了传统可展结构的发展。所以面对这样的挑战，研制出一种质量小、结构简单、可靠性高、收缩展开比大的新型的空间可展结构的任务迫在眉睫。
　　自然界中的种种现象往往给予很多的灵感。受到大帛斑蝶翅结构在羽化过程中实现展开的现象中的启发，将这种展开机理应用到可展结构的设计中来研制出一种新型的空间可展结构。这种新的理念为空间可展结构的发展开辟了一条全新的道路。本文就如何运用大帛斑蝶羽化展开机理来设计一种新型的空间可展结构进行了研究，主要研究内容有:
　　首先，通过对大帛斑蝶羽化展开现象的观察以及对虫蛹和成虫进行解剖，发现了其在羽化展开过程中各组织结构在形态上的变化，了解了翅结构在展开过程中的特点，并且从中探索出了影响大帛斑蝶羽化展开过程中的关键性因素，最终研究出了其羽化展开机理。
　　其次，根据大帛斑蝶羽化展开的特点，抽象出了其展开原理。结合大帛斑蝶形态结构，建立起一种空间可展结构的模型。针对模型进行了有限元前、后处理以及理论上的计算，并且对模型的展开过程进行了模拟。通过模拟的结果，初步实现了模型的展开。
　　再次，由于模型是依照大帛斑蝶翅结构进行建立的，其结构上比较复杂。考虑到该结构在实际工程中的应用，对模型进行了优化。针对优化后的模型，进行了有限元仿真分析，包括微重力场下的静力分析、模态分析、响应谱分析、振动分析和谐响应分析。通过分析结果验证了模型具有较好的力学特性。
　　最后，依据仿真分析的结果，确定了材料属性和结构的特征参数，并且制作了模型样机。针对制成的模型样机，进行了样机的充气展开实验。通过实验过程及结果，进一步验证了结构的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的和意义

1．3．1 国内研究现状

1．3．2 国外研究现状

1．4 研究内容

1．5 论文结构

第2章 仿生展开机理的研究

2．1 展开结构概述

2．1．2 展开结构的分类

2．2．1 仿生学的发展历程

2．2．2 仿生学的设计理念

2．3 仿生学在可展结构中的应用

2．4．1 大帛斑蝶的生长周期

2．4 基于大帛斑蝶展开的研究

2．4．2 大帛斑蝶的羽化实验

2．5 本章小结

第3章 充气式仿生可展结构的仿真分析

3．1 仿真模型的建立

3．2 仿真模型的网格划分

3．2．1 HyperMesh软件简介

3．2．2 仿真模型的导入

3．2．3 模型的导出

3．3 结构的仿真初步处理

3．3．1 ANSYS/Ls-dyna软件简介

3．3．2 前处理

3．3．3 模型的加载和输出

3．4 有限元参数的计算

3．4．1 模型充气压力的计算

3．4．2 模型应力计算

3．4．3 结构的强度校核

3．5 K文件的修改

3．6 Ls-dyna Solver求解和Ls-prepost后处理

3．7 本章小结

第4章 充气式仿生可展结构的有限元分析

4．1 结构优化概述与步骤

4．2 结构的拓扑优化

4．2．1 拓扑优化的定义

4．2．2 拓扑优化的步骤

4．2．3 优化结果

4．3 结构的有限元分析

4．3．1 ANSYS Workbench软件简介

4．3．2 结构的应力分析

4．3．3 结构的模态分析

4．3．4 结构的响应谱分析

4．3．5 结构的振动分析

4．3．6 结构的谐响应分析

4．4 本章小结

第5章 充气式仿生可展结构的实验与分析

5．1 样机的制作

5．1．1 翅脉与翅膜的制作

5．1．2 躯干的制作

5．2 充气装置

5．3．1 实验步骤

5．3．2 实验过程

5．4．1 实验现象

5．4．2 实验结论

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文