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可展收豆莢桿剛度及收展過程力學分析

時間:2021年03月08日 分類:科學技術論文 次數:

摘要:大變形薄壁可展收復合材料結構由于其良好的力學性能和折展功能,適用于空間探測領域。針對空間豆莢桿可展收結構,開展了不同構型參數、不同鋪層方式下的豆莢桿剛度及穩定性分析。通過懸臂豆莢桿的彎曲與扭轉試驗驗證了數值模型的正確性。采用顯式非線

  摘要:大變形薄壁可展收復合材料結構由于其良好的力學性能和折展功能,適用于空間探測領域。針對空間豆莢桿可展收結構,開展了不同構型參數、不同鋪層方式下的豆莢桿剛度及穩定性分析。通過懸臂豆莢桿的彎曲與扭轉試驗驗證了數值模型的正確性。采用顯式非線性分析方法,對豆莢桿盤卷收攏過程進行了準靜態數值模擬。結果分析表明,豆莢桿截面半徑越小,鋪層厚度越厚,收攏過程的應力水平越大;盤卷的卷筒直徑越小,收攏過程的應力水平越大。分析結果為空間可展收豆莢桿的設計提供了理論依據。

  關鍵詞:纖維增強復合材料;豆莢桿;剛度;收展過程;力學分析

航空學報

  0前言

  可展收的薄壁碳纖維增強樹脂基復合材料(Carbonfibrereinforcedplastics,CFRP)豆莢桿具有收展原理簡單、輕質、收納率高、可重復性強等特點,可用作太陽帆、空間薄膜天線陣面等可收展的航天器的支撐體系構件。薄壁豆莢桿展開過程為由捆壓機構施加管片擠壓力,使兩凸面彈性屈曲成為扁平管,從而具有極小面外外剛度(仍具有高平面內剛度),然后繞卷筒彎曲纏繞實現收攏。

  在國內,白江波等[1-4]對可折疊復合材料豆莢桿的制備展開研究并進行了驗證,開展了豆莢桿的卷繞有限元分析,針對空間環境開展了溫度對豆莢桿軸向壓縮的失穩分析。陳務軍等[5-8]對薄壁CFRP豆莢桿壓扁、拉扁、纏繞和展開過程進行了系統研究,并開展了軸壓屈曲特性分析和模態分析。丁峻宏等[9-14]對豆莢桿收展過程開展了并行仿真過程分析。在國外,歐洲航天局和德國宇航中心在充氣桿和彈性薄壁管展開機構輕量化、收展機理進行了大量研究工作。德國宇航中心研制了高性能大型透鏡式薄壁CFRP管空間伸展臂[15]。LAURENZI等[16-17]數值模擬研究了C型截面的薄壁管的非線性失穩和展收過程。FERNANDEZ等[18-19]分析了薄壁可展收管的結構剛度、形狀和鋪層方式等的對展收性能的影響。

  上述文獻對豆莢桿的剛度及收展過程開展了分析,但豆莢桿設計截面參數對剛度及卷繞過程的影響研究尚未發現。本文首先對豆莢桿懸臂梁進行末端加載試驗,測試了兩個方向彎曲、扭轉的剛度及失穩載荷。采用有限元軟件ABAQUS進行建模分析,試驗結果與分析結果對比,驗證了分析模型的正確性。基于試驗和模擬分析,進一步對豆莢桿壁厚、鋪層層數和截面半徑進行分析,研究了各參數對豆莢桿懸臂梁的剛度及屈曲臨界載荷的影響。最后,采用顯式非線性分析方法,對豆莢桿盤卷收攏過程進行了準靜態數值模擬,分析了豆莢桿截面半徑、鋪層厚度、卷繞筒直徑參數對豆莢桿的卷繞后應力水平的影響。分析結果為空間可展開豆莢桿的設計提供了理論依據。

  1豆莢桿剛度及穩定性分析與試驗驗證

  1.1有限元模型

  豆莢桿長度為2500mm,截面尺寸半徑為50mm。復合材料鋪層部分采用二維殼單元S4R,飛邊的膠層采用C3D8R三維單元。膠層與鋪層單元Tie約束。豆莢桿采用T300/TDE386環氧樹脂復合材料,纖維體積含量50%,膠接區采用J159膠膜,厚度為0.06mm。豆莢桿Ω頂端為7層鋪層[45/‒45/0/0/0/‒45/45],Ω兩邊為5層鋪層[45/‒45/0/‒45/45],0°方向為桿件長度方向,單層厚度0.04mm。采用懸臂梁加載計算方法。邊界條件為一端固支,另一端施加兩個方向集中單位彎矩載荷。

  其中E11、E22分別為T300/TDE386環氧樹脂基復合材料單向板縱向、橫向彈性模量,μ12為面內泊松比,G12、G13、G23分別為三個方向切變模量,E為膠膜彈性模量,ρ為材料密度。半徑為50mm,長度為1500mm的豆莢桿試驗件,鋪層狀態為9/7Ply:其中豆莢桿Ω頂弧為9層鋪層[45/‒45/0/0/0/0/0/‒45/45],Ω兩邊側弧為7層鋪層[45/‒45/0/0/0/‒45/45],0°方向為桿件軸向。試驗件共3件,測試剛度、局部屈曲。將豆莢桿兩端封堵,防止邊緣局部變形。堵頭與試驗加載端工裝及固定端工裝一體化設計。兩端堵頭分別由內腔蓋、2個外包半環、1個加載端或固定端蓋板組成。內腔蓋、外包環的截面與豆莢桿側壁貼合,縫隙不超過0.1mm。

  粘接過程需在貼合面兩側涂抹均勻膠。試驗工況分別為:①豆莢桿一端固定,另一端逐級施加x向的橫向載荷測試彎曲剛度。橫向載荷最大施加50N,等分5級逐級施加;②豆莢桿一端固定,另一端逐級施加y向的橫向載荷測試彎曲剛度。橫向載荷最大施加50N,等分5級逐級施加;③將豆莢桿一端固定,另一端逐級施加扭矩測試扭轉剛度。扭矩最大施加30N•m,等分5級逐級施加。

  最后,開展y向載荷失穩測試和扭轉載荷失穩測試。可以看出,加載與卸載曲線近似重合,表明試驗測試過程與結果正確。從表中可以看出,彎曲剛度與扭轉剛度的測試值與分析值吻合較好,誤差在15%以內,失穩載荷的試驗值約為分析值的60%,說明薄壁豆莢桿在失穩系數選擇的過程中需要有較大的安全裕度。

  2豆莢桿收展過程分析

  2.1有限元模型

  取半徑為80mm,三種不同鋪層形式的豆莢桿建立有限元模型。由卷筒、12個約束轉軸和豆莢桿組成,相對位置關系。由于受力和結構的對稱性,采用1/2模型進行分析。其中,卷筒、約束轉軸為剛性單元R3D4,圓心位置建立參考點,剛性單元隨參考點運動。豆莢桿為殼單元S4R,膠層單元為C3D8R單元,豆莢桿飛邊與膠層單元上下表面粘接約束。卷筒單元數11800個,每個約束轉軸單元數512個,豆莢桿單元數24244個,膠層單元數3200個。

  2.2邊界條件

  在復合材料豆莢桿軸對稱位置施加對稱邊界條件,將端部飛邊的棱邊與卷筒的隨動點設置鉸鏈約束。卷筒轉軸通過參考點運動,約束轉軸通過參考點約束六個自由度。

  科技論文投稿刊物:《航空學報》是中國航空學會主辦的綜合性航空航天學科學技術期刊,長期在我國航空航天類中文核心期刊排名第一。主要欄目有論文、綜述、研究簡報及簡訊等。

  3結論

  分析了豆莢桿在完全展開狀態下的剛度、失穩載荷以及卷曲過程,得出了以下結論。(1)豆莢桿在完全展開狀態下,y向彎曲剛度是x向剛度的2~3倍;增加0°鋪層可以明顯增加彎曲剛度;試驗值與分析值在彎曲和扭轉剛度值及失穩模態吻合較好。(2)豆莢桿在卷曲過程中,在卷筒曲率、豆莢桿半徑相同的情況下,緊貼卷筒壁面的應力水平與豆莢桿鋪層厚度成正比;在卷筒曲率、豆莢桿厚度一定的情況下,半徑為50mm的豆莢桿強度裕度要低于半徑為80mm的豆莢桿;在豆莢桿鋪層、直徑一定的情況下,卷筒直徑越小,強度裕度越低。

  參考文獻

  [1]白江波,熊峻江,高軍鵬,等.可折疊復合材料豆莢桿的制備與驗證[J].航空學報,2011,32(7):1217-1223.BAIJiangbo,XIONGJunjiang,GAOJunpeng,etal.Fabricationandvalidationofcollapsiblecompositelenticulartubes[J].ActaAeronauticaETAstronauticaSinica,2011,32(7):1217-1223.

  [2]林秋紅,白江波,從強.超長可折疊復合材料豆莢桿軸向壓縮屈曲性能測定方法[J].航空制造技術,2019,62(4):51-55.LINQiuhong,BAIJiangbo,CONGQiang.Novelexperimentalmethodfordeterminingaxialcompressionbucklingbehaviourofultra-lengthfoldablethin-walledlenticularcompositetube[J].CompositesStructureandManufacturing,2019,62(4):51-55.

  [3]BAIJiangbo,CHENDi,XIONGJunjiang,etal.Foldinganalysisforthin-walleddeployablecompositeboom[J].ActaAstronautica,2019,159:622-636.

  作者:張濤濤從強任晗郭一竹