多角度纤维缠绕复合材料圆筒张力设计

缠绕张力是纤维缠绕复合材料圆筒设计的一项重要研究内容,它对纤维缠绕复合材料圆筒的质量起着关键作用。基于三维各向异性弹性力学,提出了一种针对多层复合材料纤维增强树脂基圆筒的张力设计方法。模型中将张力诱导残余应力作为复合材料缠绕层初始应力,基于Tsai-Wu失效准则获得内压作用下给定铺层顺序的使得爆破压强最大的复合材料圆筒最佳张力制度。研究结果表明:对于单层螺旋缠绕,当缠绕角一定的情况下,随着张力的增加,圆筒爆破内压先增加后减小,不同缠绕角下对应的最佳张力值不同,随着缠绕角从0°～90°的增加,最佳张力值先减小后增加;对于多层螺旋缠绕,铺层模式确定的情况,随着缠绕张力的增加,爆破压强先增加后减小。因此,对于给定铺层模式,需要合理确定其缠绕张力,以保证最大限度地发挥纤维的承载能力。     

复合材料加筋层合板结构分层扩展分析

采用基于模式混合度的分层扩展准则,研究了复合材料加筋层合板结构分层扩展力学行为,分析了铺层方式对复合材料层合板结构界面力学性能的影响。首先,由计算所得分层前缘处的应变能释放率分量计算求得模式混合度;然后,将其代入材料断裂韧性函数及分层扩展量计算公式,进而预测复合材料加筋层合板结构的分层起始及其扩展行为。并通过对规则对称正交铺层、反对称铺层与用于V-22飞行器结构中的铺层方式下的层合板分层扩展行为进行比较,验证了该方法的有效性。     

透镜式薄壁CFRP管压扁力分析

针对透镜式薄壁纤维增强聚合物(CFRP)管伸展臂在截面设计中需确定压扁力的问题,选取两种不同截面、长度、铺层和材料参数的薄壁CFRP管,通过试验和数值模拟分析其压扁过程中的压扁力和截面变化特征。压扁过程中,假设截面不存在局部接触变形,且是线性等曲率变化,建立压扁力近似算法1;假设给出截面局部接触变形函数,建立压扁力近似算法2。综合试验、数值模拟与两种近似算法的结果,发现压扁过程中压扁力与截面变形均表现出较强的非线性特性,可用近似算法2估算压扁力。     

碳纤维复合材料壳体轴压稳定性分析与试验验证

针对碳纤维复合材料壳体轴压稳定性问题,提出了理论推导、数值模拟和试验验证相结合工程计算方法,获得了铺层相关参数对轴压稳定性的影响规律。基于层合板理论,计算了碳纤维复合材料壳体的等效弹性常数;以150 mm碳纤维复合材料圆筒为研究对象,通过壳体破坏性轴压试验,验证了理论计算和有限元数值模拟的正确性;计算了碳纤维缠绕角及增加0°铺层对复合材料弹性常数的影响规律。研究结果表明,通过引入修正系数k=0.4,理论计算结果与实际轴压破坏载荷较为接近;通过增加0°铺层数,能够大幅度地提高壳体刚度,且对刚度提升的贡献远大于所引起的重量增加。复合材料刚度是决定壳体临界轴压载荷的关键因素,固体发动机设计过程中增加材料刚度可有效提升其轴压稳定性。     

透镜式缠绕肋压扁缠绕过程数值模拟分析

利用ABAQUS首先以各向同性材料透镜式缠绕肋的肋片压扁进行了数值模拟分析,比较了三种壳单元（S4、S4R、SC8R）和三种体单元（C3D8、C3D8R、C3D8I）模拟分析效率,并给出受力特征;进而以S4R和C3D8I进行了碳纤维复合材料肋片压扁模拟分析,并得到受力特征;最后,建立了完整的缠绕肋整体非线性有限元模型,实现了缠绕过程模拟分析,得到缠绕肋缠绕过程应力、应变及变化特征,以及缠绕弯矩。本文对缠绕肋设计及系统样机研制具有指导和参考价值。
     

铺层方式对复合材料壁板热颤振特性的影响

采用分步求解的方法进行复合材料壁板的热颤振分析。先分析热效应产生的壁板附加刚度,再将壁板的热刚度效应引入到壁板颤振模型中进行壁板颤振分析。通过一块四边固支壁板的热颤振分析算例,验证了这种壁板热颤振分析方法的正确性。进而针对高速飞行器结构中的复合材料壁板热颤振问题,分析了三种不同铺层方式的复合材料壁板在受到面内均匀热载荷时颤振临界速度随温升的变化规律。结果显示：(1) 层合复合材料壁板的铺层比例和铺层顺序对壁板的热颤振临界速度都有明显的影响;(2) 温升可导致壁板颤振临界速度明显降低,且铺设方式不同,下降程度不同;(3) 在颤振危险模态不发生变化时,壁板颤振临界速度随温升而下降的趋势近似呈线性关系。     

铺层技术及其在导弹上的应用前景

铺层技术是先进复合材料的成型方法之一，利用铺层技术成型的复合材料构件在国内外航空领域已经获得广泛应用。主要介绍了铺层技术及其在航空航天领域的应用情况，并通过可行性和实现的技术途径等的初步探讨，展望了铺层技术在导弹上的应用前景。     

大型复合材料结构优化设计方法研究

建立了适合于大型复合材料结构的优化设计方法，该方法在复合材料结构有限元分析的基础上对复合材料结构进行优化设计。在建立有限元模型时应用了区域划分技术，然后对结构分两级进行优化：第一级是对结构的铺层角度进行优化。第二级对结构的铺层厚度进行优化。最后，以工字梁结构为例，进行了算法验证。     

铺层结构对复合材料层合板固有频率的影响

搭建四角简支的复合材料层合板的模态振动实验平台。使用锤击单点激励法获取层合板不同测点位处的频响函数;利用DHDAS动态信号分析系统测得不同铺层结构复合材料层合板的前三阶固有频率,及对应的振型;进一步分析铺层结构对复合材料层合板的振动特性的影响。结果表明,改变测点位置对层合板整体的固有频率影响较小;复合材料层合板的铺层结构对固有频率有很大影响;[0°/90°/±45°]s4铺层结构的层合板的抗冲击性最强、结构整体的刚度最高。     

多元多层碳纤维的设计准则初探

以自愈合碳纤维增强陶瓷基复合材料中的多元多层碳纤维为研究对象,采用ANSYS有限元软件进行建模和仿真,研究了多元多层碳纤维的韧性、层数对多元多层碳纤维承载时应力分布的影响情况,同时研究了2D正交铺设中两种铺向的多元多层碳纤维中应力分布的特点,得到了多元多层碳纤维的初等设计准则。     

空间薄壁式伸展臂的展开仿真与卷曲方式研究

针对一种完全依靠自身弹性展开的空间柔性薄壁式伸展臂的展开动力学问题,基于Kirchhoff Love基本假设和广义胡克定律推导了伸展臂各部分壳体在展开前的应力计算公式,使用该公式对伸展臂的有限元模型进行预应力初始化,并采用显式时间积分方法对正向卷曲、反向卷曲和不紧密卷曲的空间薄壁式伸展臂的展开过程进行了动力学仿真,通过实验对仿真结果进行了验证。研究结果表明：应力计算公式可以正确地计算薄壁式伸展臂在展开前的应力状态,基于预应力初始化方法的显式动力学仿真可以较为准确地模拟空间薄壁式伸展臂的展开过程;反向卷曲的伸展臂在展开过程中出现了向固定段展开的现象,并且具有较高的初始应变能,不利于薄壁式伸展臂的空间应用,在设计中应选择正向卷曲的方式;不紧密卷曲的影响主要表现为卷曲段内层壳体易于从卷曲段侧边缘滑出,使伸展臂在展开过程中产生较大幅度扭转,而增大壳体材料的摩擦系数则可以有效避免这种现象。     

一种冷热交变环境下太阳帆应力保持方法

针对冷热交变环境导致太阳帆内部应力剧烈变化的问题,基于形状记忆合金(SMA)弹簧提出了太阳帆的张拉方案和薄膜应力保持恒定的方法,该方法利用形状记忆合金在高低温下的刚度非线性特性,有效补偿薄膜和支撑杆之间的间隙变化,以使薄膜内部应力基本保持恒定。针对六边形构型太阳帆开展了数值仿真,首先建立了太阳帆的热分析模型和力学分析模型,获取了高低温工况下的温度场。然后通过热致变形分析得到薄膜与支撑杆在高低温工况下的间隙变化,据此确定形状记忆合金弹簧的参数。最后对太阳帆在高低温工况下的薄膜内部应力进行了验证。     

Analysis of dynamic behaviour of inflatable booms in zigzag and modified zigzag folding patterns

The deployment behaviour of inflatable booms with zigzag and modified zigzag folding patterns is experimentally and theoretically investigated in this paper with the aim to deploy the booms as the actuator for future deployable large-scale membrane structures. Regarding the experimental approach, the stable deployment of a modified zigzag folding pattern is demonstrated, and the relation between stable and unstable deployment behaviour is considered in relation to air pressure and flow rate. In terms of the theoretical approach, the folding process and deployment behaviour are simulated using commercially available software (PAM-CRACH and PAM-SAFE). To create folding lines from the zero stress condition in the case of analytical inflatable boom models, the stress distribution and the shapes of the folding lines are considered for the initial self-deployment behaviour and deployment behaviour using the uniform pressure method. From the folding experiments and the results of folding analyses and UPM, the deployment behaviour of inflatable boom models in zigzag and modified zigzag folding patterns is compared by using the finite point-set method. For the sequential deployment behaviour, which is difficult to replicate, the uniform pressure method is used for the calculations, and the relation between inlet air flow and stable deployment behaviour is discussed through comparison of the experimental and analytical results.     

高速SpaceWire协议IP的可靠性增强方法

针对航天高速SpaceWire总线系统对协议IP的高可靠性要求，提出一种用于静态随机访问存储器(SRAM)型现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)的增强三模冗余(TMR)方法。该方法对传统三模冗余和部分三模冗余做了改进，将需要进行三模冗余的原设计分为一般单元集和可靠性薄弱的关键单元集，对一般单元集中的每个单元做三模冗余，对关键单元集中的每个单元做顺序四模冗余。给出了顺序四模冗余的可靠度计算式和表决器的布尔表达式。建立了系统可靠性的马尔科夫模型并基于模型开展了可靠性仿真。仿真结果表明增强三模冗余系统的可靠性不仅明显优于传统三模冗余系统，而且优于部分三模冗余系统，使系统可靠性得到有效提高。     

某空间伸杆机构的摩擦补偿及反步自适应控制

面向某新型大伸展(收拢比)、高载荷(自重比)伸缩式空间伸杆机构的实际应用需求,研究其低速伸展过程中摩擦力矩补偿及其反步自适应控制方法。考虑伸杆伸长量等各种因素引起的摩擦力矩变化,将其等效描述为摩擦变化系数的影响,由此得到LuGre改进模型的摩擦表征。在此基础上,设计基于摩擦力矩补偿的反步自适应控制器,以补偿和抑制模型不确定性和摩擦影响。最后通过仿真校验表明,该方法不依赖精确的动力学模型,能够在保证鲁棒性的前提下有效提高系统控制性能。     

The use of a movable telescoping end mass system for the time-optimal control of spinning spacecraft

The time-optimal control of a spin-stabilized spacecraft with a movable telescoping appendage (boom), is considered analytically and numerically. The motion of a control mass at the end of the boom is determined such that the terminal time will be minimized for two-axis control of a symmetric spacecraft. The equations of rotational motion are linearized about the desired state of spin about the symmetry axis. The equations for the transverse angular velocity components have the form of a coupled two dimensional harmonic oscillator with boom motion as a control force. The control function which brings the system to the desired state is known to be a series of positive and negative pulses. If the initial state is such that the system can be driven to rest in a single switch, the responses, switching and final times, and required boom motion may be determined analytically. Some typical numerical results based on these solutions are discussed.     

空间豆荚杆机构收展过程的并行仿真计算

针对空间豆荚杆展开机构的设计,利用显式动态算法和高性能计算资源,对豆荚杆盘卷收拢和展开过程进行了非线性准静态仿真。为满足计算调试和多组工况带来的大规模计算需求,通过计算耗时、应力曲线和能量曲线的对比分析,确立了以提高加载速率为主的显式计算并行加速合理策略。计算过程和结果分析表明,动态仿真方法完全可以用来对豆荚杆机构的功能设计、结构改型和参数调整进行预知仿真,并为试验提供指导和参考。     

航天器大型网状天线透光性遮挡的精确计算方法

针对航天器太阳电池阵的设计和仿真中需要考虑大型网状天线造成的透光性遮挡的问题，提出一种精确计算透光性遮挡的方法。该方法以最小重复单元对金属网布进行三维建模，求取不同光照下金属网布透光率并存为表格；计算含金属网布构件造成的透光性遮挡图形时，用三角面片对构件进行三维建模，先计算出三角面片与入射光线的位置关系，查表得到该三角面片的透光率后将其投影区域的光照强度相应减少。径向肋天线算例表明，该方法快速准确，能正确生成透光性遮挡图形，为太阳电池阵仿真分析奠定了基础。     

一种新型充气式重力梯度杆的研制和在轨展开试验

文章对中国“新技术验证一号”卫星搭载的一种新型充气式重力梯度杆的研制和在轨试验情况进行了介绍。重力梯度杆在小卫星控制领域中具有较好的应用前景,而充气结构具有轻质、占用空间小、发射成本低的特点,采用充气式重力梯度杆可避免传统机械式重力梯度杆质量重、尺寸大和机构复杂的缺点,它以充气伸展臂为主要结构形式,通过充气展开伸直成为重力梯度杆,既作为卫星重力梯度杆又通过在轨试验验证空间充气展开结构的性能。在轨试验结果表明充气式重力梯度杆展开稳定、有序、性能可靠,可以满足小卫星的性能和功能要求。该试验也是中国首个成功的充气展开结构在轨技术验证试验,标志着中国的充气展开结构技术初步具备了工程化能力。     

Spacecraft detumbling using movable telescoping appendages

The dynamics of detumbling a randomly spinning spacecraft using externally mounted, movable telescoping appendages are studied both analytically and numerically. Two types of telescoping appendages are considered: (a) where an end mass is mounted at the end of an (assumed) massless boom; and (b) where the appendage is assumed to consist of a uniformly distributed homogeneous mass throughout its length. From an application of Lyapunov's second method, boom extension maneuvers can be determined to approach either of two desired final states: close to a zero inertial angular velocity state and a final spin rate about only one of the principal axes. Recovery dynamics are evaluated analytically for the case of symmetrical deployment. Numerical examination of other asymmetrical cases verifies the practicality of using movable appendages to recover a randomly tumbling spacecraft.