人形杆纯弯曲力学特性分析与实验

作     者：刘恋 

作者单位：安徽大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨慧;王岩

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：人形杆 纯弯曲力学建模 运动学分析 压扁过程 缠绕过程 

摘      要：展开机构在发射过程中处于折叠收拢状态,体积最小,发射后逐渐展开成为一个大型复杂的宇航结构,锁定并保持为工作状态,主要应用于大型空间可展天线和太阳帆的支撑背架、探测臂等。人形杆是大型航天器结构的主要支撑部件之一,也是继双稳态圆型截面超弹性杆和豆荚型截面超弹性杆之后发现的一个值得深入研究的驱动展开机构。本文基于冯卡门薄板大挠度弯曲理论,建立各向同性材料单带簧片中面内力与应变,力矩与曲率之间的本构方程,推导出人形杆总体应变能,根据最小势能原理,采用数值法得到人形杆两端弯曲力矩;搭建人形杆纯弯曲实验平台,对人形杆进行多次弯曲实验并提取峰值力矩,分析对比峰值力矩理论值与实验值的相对误差,验证所建立的应变能数学模型准确性;对人形杆纯弯曲时的峰值力矩进行参数影响分析,研究材料厚度,中心角,直线粘接段宽度和横截面半径对峰值力矩的影响,为人形杆在折展机构中的应用提供理论依据。建立人形杆压扁有限元模型,分析压力随时间变化关系,并搭建人形杆压扁实验平台,多次测量压力大小,分析对比人形杆理论与实验的压力变化规律,验证人形杆压扁有限元模型的准确性;针对人形杆压扁过程中的应力集中问题,利用显示动力学法对人形杆压扁非线性过程进行了数值模拟分析,得到了对称铺层和反对称铺层应力大小及其变化规律特性;比较分析两种铺层方式下人形杆各层应力特征,得到反对称铺层各层应力较小的结论,进而分析不同材料在同角度铺层方式下各层应力大小,得出各层最理想的铺设材料。建立人形杆缠绕有限元模型,搭建实验平台对缠绕过程中力矩进行实验,验证人形杆缠绕模型的准确性;人形杆缠绕有限元模型包括压扁、端部压紧和缠绕三个步骤,分析应力变化特点,明确最小应力分布的区域,以应力作为约束条件,为人形杆各个参数优化提供路径,提高机构使用时间。