模拟调查Self-Deployable充填和部署过程的时候

文摘

self-deployable充填和部署流程的调查数字的时候。的组成self-deployable的时候。部署的时刻为透镜状繁荣制定理论模型基于曲面壳的弯曲理论。部署的时刻提出的数值分析方法。两种类型的控制方法提出了褶皱折痕,和动态分析模型考虑几何非线性与建立联系。分析结果表明,压扁的方法可有效地用于控制褶皱折痕,和部署时间的分析结果是非常接近的理论结果。self-deployable的充填和部署过程分析的时候。因此,部署配置和时间历史曲线的动态行为。结果验证分析模型的可行性,本研究可以为工程应用提供技术支持的self-deployable的时候。

1。介绍

宇宙飞船的光学系统,特别是光学望远镜,需要设计的时候抑制外部杂散光的影响。同时,必须提供一个稳定的热环境对航天器结构,防止过度的热变形。对于大型航天器结构,由于发射体积和重量的限制,必须设计为可部署的时候结构。最初,这些可部署的时候在一起方便折叠态和部署在实现轨道。

这些可部署的结构样式的时候主要是平面和圆柱,而部署机制包括充气、机械、和弹性部署。开放的平面部署的时候已经经常采用当航天器的光学系统可以接受被动自冷。例如,第二代的时候哈勃望远镜(NGST) [1设计有四个平面,十字形,充气管部署的时候皮肤的电影。另一个代表项目的时候詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST) [2,3),这是由五层可以部署灵活的电影。通过一系列微型弹簧,折叠膜是一层一层地部署控制。圆柱形的时候通常放置在光学系统压痕。航天器结构一端固定,另一端是部署在光学系统的远端。提出了一种圆柱的时候国际x射线天文台(IXO) [4),直径约10米高,4米。有两种类型的部署机制设计方案:第一个使用一个可部署的连接与一个活跃的铰链中间的杆,可延长约20米。其他机制是由三个可部署的武器,是完全部署后约24米高,直径和结构并没有改变。的时候MITAR [5),是由意大利航天局(ASI),有一个八角形的框架结构。弹性弹簧卷录音带是用来把结构在实现轨道。一个锥形CSS的时候(6)分为6个罩板由充气垂直和水平。大多数这些近似圆柱形的时候只能部署在轴向方向,径向的大小不变。上述研究和开发工作主要集中在机制设计的可部署的时候,和一些详细的力学特性的研究。

到目前为止,壳结构的动态和波的特征已经被广泛的研究。振动分析领域的壳,勒姆等人提供了一个分析模型基于广义和简单精炼高阶剪切变形理论分析基本频率的简支层合复合材料/夹层壳[7]。Khadimallah等人研究了功能梯度层的分析旋转振动环支持(8]。参数的基本的圆柱壳固有频率和比率的长度和height-to-radius广泛[已被调查9]。Cuong-Lea等人研究了环形板的自由振动和屈曲响应,通过isogeometric分析圆锥和圆柱壳(IGA)方法(10]。弹性波领域的特点,特征波传播的夹层壳调查采用哈密顿原理(11]。挂等人研究了弹性体积波的特点双重弯曲nanoshell [12]。

很少有研究空间薄壁结构,如透镜状繁荣。欧洲航天局(ESA)和德国航空航天中心(DLR)进行了广泛研究的轻量级设计和部署机制灵活的薄壁管。DLR开发了大型薄壁管碳纤维增强塑料太空武器(13]。部分形状和驱动系统的设计,实现薄膜的可部署的支撑结构天线和太阳帆。有几项研究对透镜状的繁荣及其演变过程。厌倦等人使用显式分析软件来分析透镜状的刚度和屈曲稳定繁荣,和热/真空开发测试(14]。整个结构的动态行为支持的透镜状繁荣没有调查。

部署结构中实现的关键技术之一是可折叠的和可扩展的系统。详细的数值研究这些结构的折叠模式和部署机制是必要的。有大量的文献发表部署模拟和研究在这些部署结构。PAM-CRASH软件被用来模拟一个充气结构的部署(15]。折叠模式,参数模型方法和软件模拟充气天线结构的部署机制被详细调查(16]。使用有限颗粒法(FPM),机械的运动分析方法可部署结构基于直杆铰链和angulated-rod提出了(17]。self-deployable结构和灵活的关节研究[18]。该方法应用于一个空间系统部署在一个用静力平衡和运动的分析模拟。然而,很少有研究的折叠和收藏机制执行部署结构。折叠态主要是通过几何建模软件或参数化建模。调查准确折叠态和动态特性,有必要研究整个充填和部署流程的部署结构。

本文报告最近进行的努力,开发了一个显式分析方法self-deployable充填和部署流程的时候,成功部署在轨道上。分析了透镜状繁荣的部署时刻的理论模型和数值模拟模型。本文的组织结构如下:部分2主要描述了组成self-deployable时候,包括结构成员,几何尺寸和材料设计。部署的时刻为透镜状繁荣制定理论模型基于壳弯曲理论部分3。部分4提出了一种数值分析方法的部署,包括褶皱折痕控制方法和动态模型的方法。部分5建立了充填和部署过程的分析模型self-deployable的时候。最后,部分6总结了结论和未来的工作提供建议。

2。基于透镜状繁荣Self-Deployable的时候

保护卫星平台上的相机,self-deployable设计的时候用金属透镜状繁荣部署驱动结构和多层复合膜作为皮肤结构。的时候可以反复折叠和self-deployed没有外部能量。的总重量是2.7公斤的时候的折叠比1:6。2019年11月,self-deployable时候被成功部署在轨道。在部署的时候,相机的时候会一起工作,同时为8年在轨道上。

self-deployable的时候是由三个独立的平坦的盘子的时候,每一个都是由两个透镜的繁荣。的折叠态和部署状态self-deployable如图的时候1。每个平面板的时候的长度和宽度是610毫米和350毫米,分别。透镜状的繁荣是由两个相似的铍青铜碎片,这是610毫米的长度,壁厚只有0.13毫米。铍青铜是120 GPa的弹性模量,泊松比是0.35。以确保高可靠性的部署,强化件添加靠近透镜状的褶皱折痕的繁荣,也是铍青铜的材料。加固件的截面形状和大小相同的透镜状繁荣。长度是250毫米,厚度为0.15毫米。上部和下部钢筋数量的碎片的双方板2和6的时候,上下增强块在中间板1和5的时候。加强块之间的间距和铍青铜片之间的相邻加固件是0.15毫米。自三个平面板的时候是相互独立的,侧板的时候的充填和部署过程本文调查。

皮肤的材料结构设计成多层复合膜的厚度只有0.25毫米。多层复合膜的表面密度不大于300 g / m²。皮肤结构由五个功能层,相机所面临的内表面是黑色聚酰亚胺薄膜表面吸收速度超过0.8。最外层是一层极薄的铝箔抗原子氧侵蚀,中间层是轴承层聚酰亚胺制成的织物。硅橡胶作为三层之间的粘结复合。皮肤结构的连接套管安装在连接与每个透镜状皮肤繁荣,和透镜状的繁荣是螺纹连接套筒。

3所示。部署的透镜状繁荣的时刻

3.1。部署的铍青铜碎片

重新评估的部署性能透镜状繁荣,铍青铜碎片的部署的时刻是理论上推导出如下。根据弯曲的曲线薄壳理论基于弹性力学[19,20.),有 在哪里薄壳的抗弯刚度, , 是铍青铜的弹性模量,泊松比,和是两个方向的曲率变化,如图2。

假设截面的曲率变化从1 / R 0壳弯曲时,长度和曲率变化从0到1 / R,如图3。

然后,

弯曲应变能的地区在铍青铜碎片(19]。

从情商。3),我们有

上面的方程可以简化为

根据最小势能原理,它遵循这些方程

用情商。5)为情商。6),

从这个方程解决:

用情商。8)为情商。1)获得以下: 在哪里 曲率变化和当铍青铜碎片正向和反向弯曲,分别。

因为是单位弯矩弧长,有吗 在哪里是中央角的部分,单位的弧度。

对铍青铜片的厚度 毫米,薄壳的弯曲刚度 。当用这种情商。(10),提出部署铍青铜碎片的时刻 ,和反向部署的时刻 。

3.2。部署的透镜状繁荣的时刻

透镜状的繁荣是由两个反向铍青铜碎片。透镜状繁荣的部署的时刻是绝对值之和的铍青铜的两部分:

同样,加固件的厚度, 毫米,弯曲刚度 。用这个情商。(10),提出部署铍青铜碎片的时刻 ,和反向部署的时刻 。

透镜状繁荣,包括几个加固件,已部署的时刻可以由以下公式计算: 在哪里和加固件的数量是向前弯曲和反向弯曲,分别。

的透镜状繁荣self-deployable时候,上下增强作品的数量是2和6,和部署的时刻 。

4所示。部署时刻分析透镜状的繁荣

4.1。分析方法的部署

部署的透镜状繁荣的时刻可以通过充填数值研究和部署过程分析。有限元显式算法用于模拟充填的透镜状的繁荣和部署过程有限元分析/明确的软件。这个程序可以很容易地模拟非线性接触和一些极端的不连续性问题。动态行为是计算从上一次步骤而非迭代的解决方案。这个程序提供了一个良好的并行加速比,可以有效地避免因重复迭代收敛困难,很容易发生当一个隐式算法是用来解决复杂动态问题。

中央差分法应用于有限元分析/显式积分动力学方程。 , ,的位移、速度和加速度,分别在时间吗 。时域分析分为步骤,步骤的时间 。解决方案时是已知的,在时间的解决方案吗 需要计算。加速度和速度向量可以表示的位移矢量与中央差分法如下:

位移的解决方案在时间 动力学方程可以解决的时间吗用下面的方程。透镜状繁荣的动力学方程 在哪里 , ,和的质量、阻尼和刚度矩阵,分别是位置向量的时间吗 ,和是外部驱动力。

用情商。13)为情商。14)的收益率

当系统的变形状态在时间 ,相应的速度、加速度和位移 是由情商决定的。(15和情商。13)。国家下一个状态更新吗在时间 。

结构的初始状态是一个静态的状态。因此,在时刻0,初始值的位移,速度,加速度

部署的透镜状繁荣的时刻可以通过充填和部署过程动力学分析。充填的流程图和部署过程动力学分析如图4。第一,结构几何模型和动态模型的建立,以及控制参数的有限元显式解集。动态分析分为四个步骤:第一步,褶皱折痕由拉压扁控制方法或压扁的方法。然后,折叠加载应用于结构来模拟充填过程的第二步。折叠状态后可以确定这一步。折叠的类型可以力加载,加载力矩载荷,旋转位移加载。在部署过程分析之前,必须进行静态管理分析消除充填过程的后续影响。最后,部署过程分析是进行时结构受到实际的加载和约束条件。

4.2。褶皱折痕的控制方法

4.2.1。准备把压扁的方法

透镜状繁荣的拉压扁过程如图5。透镜状繁荣后的工作状态完全部署是一个透镜状的部分。把压扁的充填和部署过程方法主要包括两个张力力量应用于双方在褶皱折痕部分节点。上下铍青铜件弹性变形,直到部分变得平坦,互相联系。因此,透镜状的平面外刚度繁荣在本节中是最小的。然后,透镜状的繁荣是折叠和约束。删除约束时,透镜状繁荣部署通过释放应变能。当褶皱折痕部分更改回透镜状部分,透镜状繁荣实现完全部署状态。

4.2.2。压平的方法

透镜状繁荣的压扁过程如图6。初始截面形状的透镜状繁荣如图6(a)充填和部署过程在新闻平方法主要包括以下几点:首先,应用垂直压力的透镜状繁荣褶皱折痕部分,如图6(b)。上下铍青铜碎片之间的联系逐渐扩大从点到线,和透镜状的上部和下部作品繁荣被压缩成一个平面形状。透镜状的平面外刚度繁荣的很小部分,如图6(c)。然后,透镜状的繁荣是折叠和限制。最后,约束释放后,透镜状的繁荣是self-deployed释放应变能的初始配置。

4.3。动态建模

透镜状繁荣的动态有限元分析模型建立的有限元分析软件。首先,几何模型单一铍青铜片和加强片豆荚杆的建立。然后,透镜状的繁荣模型是通过装配两个铍青铜碎片和加强的八块。

之间的边缘连接上下铍青铜碎片设置如下:部分相互独立的在0毫米- 250毫米的长度范围和焊接连接的长度250 mm - 610 mm。两个1毫米宽领域在左边和右边由绑定(相连领带)来模拟焊接连接。

有1上部和下部之间的联系对铍青铜碎片,2间接触对加强件和铍青铜和6之间的联系对相邻加强件。这些对建立了联系地对地的接触。设置相应的接触算法。采用“硬触点”模式的正常接触,罚函数法用于约束执行,和切向摩擦行为将被忽略。

100毫米的固定端部分晶状体繁荣被定义为部分S1。部分从固定端被定义为部分250毫米S2。中心节点截面S2成立作为一个参考点。所有节点在本节加上使用的参考点运动学耦合,这样所有节点将一起参考点。参考点是用作load-applying节点在随后的动态分析过程。

的自由端加强件、连接元素(加强件之间的连接)和铍青铜碎片,以及相邻之间加强件,建立了通过梁的约束来模拟3 M胶带加强件和铍青铜碎片,如图7。

透镜状的边界条件设置的繁荣,与右端固定,另一端自由。抑制低频振动完全部署后,瑞利阻尼的铍青铜材料。几何模型是网状获得动态有限元分析模型,如图8。

分析部署透镜状繁荣的时刻,四个分析步骤(步骤)设置如下:步骤1的压扁过程模拟透镜状褶皱折痕的繁荣部分S1。步骤2折叠和充填过程模拟;第三步模拟静态管理处理消除的后续影响充填过程;第四步模拟的动态行为透镜状繁荣重量后暂停部分S2获得部署的一刻。

在压扁的模拟过程中,一双70 N的力轴的方向是应用于顶点的S1节顶部和底部钢筋。模拟的折叠和充填过程,30 N力量轴方向是应用于参考点,这是前面定义。在步骤4中,5.5 N的力量轴方向也应用于悬浮的参考点来模拟负载的重量。

应用刚柔多体非线性系统,透镜状繁荣的充填和部署过程非常复杂。几何的非线性动态特性和联系突出显示。因此,并行计算和加速策略需要完成整个过程的模拟。在解算器设置,全面分析选择的工作类型,和4处理器进行并行计算。

4.4。分析结果的部署

位移和应力分布的透镜状繁荣后压扁过程如图9。上下铍青铜碎片被压缩成一个平面形状下的媒体力量,而透镜状的自由端向上繁荣是畸形的。因此,透镜状的平面外刚度繁荣S1节就变小了。点附近的应力媒体的力量是伟大的,和在其他领域的压力很小。

在折叠过程中,节点力后应用于部分S2的参考点,透镜状的繁荣是折叠。折叠状态的配置和应力分布如图所示10。在自由端变形最大,透镜状的褶皱折痕繁荣接近S1节。折叠过程后,折叠角接近90°。这表明媒体展平方法可以有效地用于控制褶皱折痕。附近有大型压力部分S1和S2和固定端。在其他领域的压力很小。

在部署的时候分析,透镜状的动态行为繁荣如图11应用折叠后力的参考点,这是不断调整的价值。根据仿真结果,应用折叠后参考点力5.4 N,透镜状的繁荣只是略有波动,维持平衡态。然后,部署的透镜状繁荣等于折叠力量的时刻。可以看出,部署的透镜状繁荣的时刻 ,这是接近理论结果0.748 获得的部分3.2,两个结果之间的误差为7.6%。因为多个铍青铜碎片之间的交互不被认为是在理论模型中,这个错误是可以接受的。

弹性势能和动能的时间历史在整个生产过程中数据所示12和13。历史曲线的能量时,弹性势能和动能变化慢慢压扁过程中。在折叠过程中,弹性势能增加显著,和动能增加,然后降低。动能减少到零后静态管理处理,弹性势能保持相同的值。在随后的分析中,动能为0,振荡和弹性势能基本上保持不变。也可以从平衡态的能量随时间的变化应用折叠后达到5.4 N的力。所做的功折力首先转化为动能和弹性势能。最后,它存储在透镜状繁荣弹性势能的形式。

5。Self-Deployable的充填和部署过程模拟的时候

self-deployable的时候包括两个透镜状繁荣和皮肤结构。透镜状繁荣的动态有限元分析模型详细描述部分4.3。后皮肤结构的几何模型建立,self-deployable的几何模型的时候可以组装。两个长边的皮肤结构和两个透镜状繁荣的边缘连接使用一个绑定(领带)模拟套管连接。self-deployable的动态有限元分析模型如图的时候14。

self-deployable的配置和应力分布的时候压扁过程后段100毫米从固定端如图15。的压力是主要分布在点按力在两个透镜的繁荣,和没有压力在其他领域的两透镜状繁荣和皮肤结构。结构的变形很小,除了点附近的区域媒体的力量。

后40 N力是应用于参考点在折叠过程中,self-deployable的时候经历了一次大的变形。折叠状态的配置和应力分布如图所示16。皮肤结构折叠而透镜状繁荣是折叠的。折叠过程后,折叠角接近90°。附近有大型压力部分S1和S2和固定的两个透镜的繁荣。两个透镜状的压力在其他领域繁荣很小。褶皱折痕在皮肤上附近的应力结构仍然很小。它还可以看到皮肤结构的抗弯刚度很小。

在部署过程中分析、约束和加载所需要的除了两个透镜的固定端发布繁荣。的动态行为self-deployable时候图所示17。分析结果表明,可以通过释放应变能self-deployed顺利的时候在两个透镜的繁荣。皮肤由两个透镜状结构是把繁荣和开始部署。不需要其他的驱动力为整个部署过程。最后,透镜状的繁荣和皮肤结构部署到近直状态。

历史曲线的弹性势能和动能在整个充填和部署流程如图18和19。从这些曲线可以看出,弹性势能和动能变化慢慢压扁过程中。在折叠过程中,弹性势能增加显著,和动能增加,然后降低。动能减少到零后静态管理处理,弹性势能保持相同的值。所做的功折力首先转化为动能和弹性势能。然后,它存储在透镜状繁荣弹性势能的形式。在部署过程中,动能增加,弹性势能减少缓慢。最后,动能为0,振荡的时候是完全部署。

6。结论

摘要部署的透镜状繁荣的时刻是评价的理论模型和数值模拟模型。透镜状的部署时间从数值模拟获得的繁荣 ,这是接近0.748的理论结果吗 。两个结果之间的误差为7.6%。分析结果还表明,压扁方法可有效地用于控制褶皱折痕。显式分析方法self-deployable充填和部署流程的时候,提出了和动态响应。附近有大型压力部分S1和S2和两个透镜的固定端繁荣处于折叠状态。褶皱折痕在皮肤结构附近的压力很小。分析结果表明,可以通过释放应变能self-deployed顺利的时候在两个透镜的繁荣。

然而,由于钢筋部分被认为是在动态模型中,各个部分之间的接触碰撞的计算成本非常大,和散度很容易发生在分析。在后续的研究中,强化作品的模型需要简化。有关实验研究透镜状繁荣在未来将进行。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号91748209和91748209),浙江省自然科学基金(批准号LY17A020003),中央大学的基础研究基金(批准号2018 qna4054和2019 qna4057)。

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