非线性弹簧形态优化及可调节恒力装置设计

基于组合结构研究一种可调节恒力装置的设计方法，恒力装置由负刚度非线性弹簧和正刚度线性弹簧组合而成。采用B样条曲线描述非线性弹簧的形态，基于GA算法和非线性有限元法实现非线性弹簧的形态优化设计。根据恒力装置的工作原理，设计线性螺旋弹簧，并分析刚度/强度特性。组合结构的力学性能分析表明恒力装置可以实现输出恒力。为了实现自我保护、输出的恒力大小/方向可调，进行了恒力装置的部组件设计。本文的恒力装置设计方法为平面薄膜天线和太阳电池阵的工程研制提供了技术支撑。     

空间含镀层薄膜天线应力均匀化分析与验证

针对空间大尺度含镀层薄膜天线建模中尚未涉及镀层对应力均匀性影响的问题,以及双轴张拉试验装置施加拉力不均、薄膜平面度不足的问题,开展了空间含镀层薄膜天线应力均匀化研究。首先,进行了含镀层薄膜单元的力学建模,用经典层合板理论推导了含镀层薄膜区域的力学特性参数(杨氏模量和泊松比);其次,为了获得建模所必需的薄膜基底和镀层两个组分的力学特性参数,开展了均载薄膜双轴张拉试验,分别测得了镀层和薄膜的杨氏模量和泊松比;然后,在力学建模的基础上,分析了平面薄膜天线设计参数对应力均匀性的影响,得出了薄膜面积、厚度、边荷载、薄膜材料对应力均匀性的影响规律;以薄膜内应力标准差最小为优化目标,对空间大尺度含镀层薄膜天线进行了优化设计,使优化后的薄膜内应力标准差减小为优化前的4.6%;最后,对蠕变抑制效果进行了仿真校验,优化后的薄膜结构工作10年时蠕变导致的位移减小为优化前的27.6%,优化设计对空间大尺度薄膜的蠕变起到了有效的抑制作用。     

空间薄膜结构粘接缝模型的建立与验证

针对Hart-Smith板壳粘接缝模型不适用于空间薄膜结构粘接缝的问题及空间薄膜结构高精度设计中粘接缝二维模型缺失的问题,开展了空间薄膜结构粘接缝模型的建立与验证工作。首先基于Kirchhoff板理论建立了空间薄膜结构粘接缝的三维模型,计算了粘接缝内部剪应力和剥离应力分布;其次,将三维模型映射到二维,建立了薄膜粘接缝二维等效模型,给出了二维等效模型的杨氏模量和强度的计算方法;最后,对薄膜粘接缝二维等效模型进行了仿真校验,仿真结果表明,根据二维等效模型求得的杨氏模量误差为4.5%～11.8%,且该误差与粘接缝宽度正相关。仿真校验证实了粘接缝的主要失效模式为剪切,且粘接缝的等效强度不受粘接缝宽度影响。当粘接缝宽度为5 mm时,二维等效模型比Hart-Smith模型求得的等效强度误差减小了29.2%。薄膜粘接缝二维等效模型为空间薄膜结构高精度设计提供了参考。     

航天器可展开薄膜遮光罩的构型设计与优化

针对当前航天器遮光罩轻量化的需求，在保证薄膜遮光罩有效面积不变的前提下，根据质量和有效面积占比设计了一款柔性平面薄膜遮光罩。以提高薄膜边缘应力的同时尽量避免有效圆面积占比减少为优化目标，对薄膜遮光罩的边缘做弧边优化设计。结果表明，当薄膜遮光罩为正六边形时，既能保证结构对称性，又能获得较低的单位有效面积占比对应质量。通过应力叠加法建立了薄膜遮光罩的应力分布模型，求出薄膜边缘应力的理论计算值。探究了弧边拱高的增加对薄膜边缘应力和有效圆面积占比的影响规律，当二者的函数曲线相交于一点时，可取为薄膜弧边的最优拱高。根据设计的薄膜遮光罩参数，搭建薄膜遮光罩的试验样机并进行展开试验。薄膜遮光罩可完全展开，薄膜边缘张紧度高，证明了薄膜遮光罩系统方案设计的可靠性，弧边设计可有效提高薄膜边缘的应力水平。     

航天器可展开薄膜遮光罩机械设计的发展与展望

从可展开薄膜遮光罩的几何构型、展开驱动技术、薄膜折痕设计和薄膜褶皱动力学分析四个方面论述了航天器可展开薄膜遮光罩机械设计的发展现状和特点，在分析比较的基础上对可展开薄膜遮光罩机械设计的发展趋势进行了展望，旨在为航天器可展开薄膜遮光罩的创新发展提供参考。