摘要
空间薄膜结构可以通过气体驱动其展开,与传统的机械展开方式相比,其展开机构较为简单、发射成本低、且折叠体积小,可以应用在空间柔性结构的展开、废弃卫星的离轨等多领域中。针对空间薄膜结构充气展开方式,在高级有限元前后处理软件(LS⁃PREPOST)中建立模型并设定4种工况,选定一种工况为标准充气情况,而后将模型输出的K文件导入LS⁃DYNA求解器中,通过改变充气速率、温度和压强来对结构的动力学特性进行仿真分析,可以得到当改变充入气体的温度为750 K时,展开过程较平稳,展开效果良好,更适于工程实际应用。
许多大型空间结构的展开机构都是由空间薄膜制成,是一种发展前景较好的空间结构,与传统的机械展开方式相比,能够在一定程度上节约任务成本和降低任务风险。目前,其主要被应用在太阳帆的在轨展开、空间碎片的离轨、隧道的密封以及能量吸收系统等方
空间薄膜结构展开的理论方法有很多种,目前应用较为广泛的方法为控制体积法。Glaser等运用了3种充气方法对准静态薄膜进行充气展开研究,分别是控制体积法(Control volume, CV)、控制压强法(Control pressure, CP)和流⁃固耦合法(Arbitrary Lagrange⁃Euler, ALE),并进行了分析与实
充气薄膜具有施工周期短的优势,且有较强的抵抗地震的能力,故可应用在密封隧道上。Sosa等提出应用有限元模型进行充气展开仿真,以模拟用来密封隧道的大型充气结构的初步展开,并且对其进行了初次展开的试验研
随着工艺技术的发展,用来模拟薄膜的材料和结构形状都在发生着变化。Li等以4个小型单织物拱架和一个全尺寸织物拱架为研究对象,运用控制体积法来模拟拱架的自展开失效并揭示了膜应力的发
充气薄膜结构还可以应用在航天任务中,能够在废弃卫星的寿命末期为其增加气动阻力,使其尽快坠入大气层。彭福军等在研究了空间增阻薄膜结构主要技术的基础上,进一步分析了其结构构型设计技术、长寿命材料技术、折叠展开技术和低成本设计技术等,为后续的实际应用提供了理论基
本文首先阐述了薄膜结构充气展开动力学的仿真理论基础,即控制体积法。而后进行了气袋模型、气袋材料、接触关键字的选择,然后对空间薄膜结构进行充气展开过程仿真,以期能为太空任务应用提供一定基础。
目前,应用在空间结构的充气展开仿真的方法主要是控制体积法,因为这种方法建模简单、方法成熟,所以应用较为广泛。还有另外一种方法,即流⁃固耦合法。由于现在国内外对于这种方法的研究都较少,并且应用此方法进行建模较为复杂,所以尚未被广泛应用。
控制体积法可以将载荷曲线作为气体的充入条件来模拟与薄膜结构之间的相互作用。此方法在一定程度上忽略了在充气过程中需要考虑的气体惯性问题,但又会考虑到气体产生的压强。它的基本原理是将薄膜结构的内部控制体积用假定的隔膜离散为多个连接着的空腔。这种方法假定每个时刻空腔内压强是相等的,从一个空腔流入下一个空腔的气体量是隔膜面积的函数。当充气开始进行时,隔膜截面的面积也不断增大;当薄膜结构结束展开时,隔膜截面的面积不再增大,且应与其截面积相等。理论模型和物理过程如
(1) |
式中表示充气管所形成的空间封闭区域。根据格林公式,可得由其封闭曲面面积分围成的体积积分为
(2) |
式中:表示第i个单元在x轴方向坐标的平均值;表示单元法向量的方向余弦;表示第i个单元的面积。

图1 充气薄膜结构模型
Fig.1 Inflatable membrane structure model
高级有限元前后处理软件(LS⁃PREPOST)通过中心差分法对时间进行积分运算,则薄膜结构各节点在第n个时间步结束时的加速度表达式表示如下
(3) |
式中:为结构在第n个时间步结束时的加速度;为质量矩阵;为第n个时间步结束时结构上所施加的节点外力(包括分布载荷经过转化的等效节点力);为结构在时的内力矢量,一般由以下几项构成
(4) |
式中:表示时刻单元应力场的等效节点应力;为沙漏阻力;为接触力。
本文运用中心差分法对时间进行积分运算,通过对速度和位移的一阶中心差分计算得到结构的加速度和速度,计算分析过程如下
(5) |
(6) |
式中
(7) |
在时刻的位移为
(8) |
式中:为结构在时刻的位移;为结构在时刻的位移;为位移增量。
(9) |
首先基于LS⁃PREPOST建立了一个气球形薄膜结构的有限元模型,并针对该结构设计了不同的展开工况对其进行仿真计算,分析了改变充入气体条件时对薄膜结构展开稳定性的影响。模型建立以后,为其编辑关键字。对于薄膜结构用于仿真的气袋模型,选择*AIRBAG_SIMPLE_AIRBAG_MODEL,这种模型充气平稳。气袋材料使用关键字*MAT⁃FABRIC,是一种织物材料。充气薄膜结构展开的主要动力来源就是从折叠状态展开时的结构自接触,因此选择接触关键字*CONTANCT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE,并且这种方法在检查穿透时,会进行双向的检索,可以有效地防止穿透现象的产生。在薄膜结构的展开过程中会伴随着大变形和沙漏模式,为了使模型计算收敛,采取了全积分算法,即在*SECTION_SHELL关键字中将ELFORM项设置为9。薄膜结构的材料和几何尺寸见
首先选取一个标准的充气速率作为参照,在此基础之上通过修改充气载荷曲线、充入气体的温度和充入气体的压强历程曲线来对薄膜结构进行充气展开仿真。如
在第1种工况下,充气载荷曲线如

图2 充气载荷曲线(工况1)
Fig.2 Inflatable load curve (Working condition 1)
从

图3 充气模型及其展开历程(工况1)
Fig.3 Inflatable model and its deployed process (Working condition 1)

图4 薄膜结构体积曲线(工况1)
Fig.4 Membrane structure volume curve (Working condition 1)

图5 薄膜结构压强曲线(工况1)
Fig.5 Membrane structure pressure curve (Working condition 1)

图6 薄膜结构表面积曲线(工况1)
Fig.6 Membrane structure surface area curve (Working condition 1)
由

图7 薄膜结构von-mises应力(工况1)
Fig.7 Von⁃mises stress of membrane structure (Working condition 1)
在第2种工况下,对薄膜结构的充气速率进行改变,将工况1下的充气载荷曲线改为

图8 充气载荷曲线(工况2)
Fig.8 Inflatable load curve (Working condition 2)

图9 充气模型及其展开历程(工况2)
Fig.9 Inflatable model and its deployed process (Working condition 2)
由

图10 薄膜结构压强曲线(工况2)
Fig.10 Membrane structure pressure curve (Working condition 2)

图11 薄膜结构体积曲线(工况2)
Fig.11 Membrane structure volume curve (Working condition 2)

图12 薄膜结构表面积曲线(工况2)
Fig.12 Membrane structure surface area curve (Working condition 2)

图13 薄膜结构von-mises应力(工况2)
Fig.13 Von⁃mises stress of membrane structure (Working condition 2)
在第3种工况下,将工况1的模型充入气体温度改为750 K,充入气体的载荷曲线保持不变,则薄膜结构的充气展开过程如

图14 充气模型及其展开历程(工况3)
Fig.14 Inflatable model and its deployed process (Working condition 3)
通过

图15 薄膜结构体积曲线(工况3)
Fig.15 Membrane structure volume curve (Working condition 3)

图16 薄膜结构压强曲线(工况3)
Fig.16 Membrane structure pressure curve(Working condition 3)

图17 薄膜结构表面积曲线(工况3)
Fig.17 Membrane structure surface area curve (Working condition 3)

图18 薄膜结构von-mises应力(工况3)
Fig.18 Von⁃mises stress of membrane structure (Working condition 3)
在第4种工况下,通过改变充入气体的载荷曲线来改变充入气体的压强,将工况1下的模型充气载荷曲线改为

图19 充气载荷曲线(工况4)
Fig.19 Inflatable load curve (Working condition 4)
从

图20 充气模型及其展开历程(工况4)
Fig.20 Inflatable model and its deployed process (Working condition 4)
由图

图21 薄膜结构体积曲线(工况4)
Fig.21 Membrane structure volume curve (Working condition 4)

图22 薄膜结构表面积曲线(工况4)
Fig.22 Membrane structure surface area curve (Working condition 4)

图23 薄膜结构压强曲线(工况4)
Fig.23 Membrane structure pressure curve (Working condition 4)

图24 薄膜结构von-mises应力(工况4)
Fig.24 Von⁃mises stress of membrane structure (Working condition 4)
本文以气球形薄膜结构为研究对象,在确定结构设计整体方案的基础上,在LS⁃PREPOST中完成了有限元模型的建立和关键字的定义,将设定的4种充气条件输出的K文件导入LS⁃DYNA求解器中进行了仿真分析。结果表明:通过对薄膜结构的充气模型及其展开历程、薄膜结构体积和压强等曲线的对比和分析可以得出,当调整充气温度为750 K时,展开速度较快,且能够完全展开,展开效果良好。当降低充气速率时,展开过程会较慢,会耗费一定的时间,且在展开过程中会存在一定的扭曲现象,进而导致薄膜结构不能够完全展开,不利于实际工程应用。当改变充入气体的压强时,薄膜结构内的压力发生了回弹的现象,体积的波动现象存在于整个充气展开过程中,进而导致展开过程中的薄膜结构存在畸形现象,不利于薄膜结构的顺利展开。
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