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水下无人航行器折叠气囊充气展开特性模拟

兵工学报 2020年第12期41卷 2540-2549页

作者：孙潘李斌温金鹏张晓光西北工业大学航空学院陕西西安710072 中国工程物理研究院总体工程研究所四川绵阳621900

为深入了解水下航行器助浮折叠气囊的充气展开行为,对水下环形折叠气囊的充气展开特性进行相关研究。基于初始矩阵法,建立环形助浮折叠气囊的有限元模型。基于控制体积方法,采用有限元分析软件LS-DYNA进行折叠气囊的展开仿真计算。通过... 详细信息

为深入了解水下航行器助浮折叠气囊的充气展开行为,对水下环形折叠气囊的充气展开特性进行相关研究。基于初始矩阵法,建立环形助浮折叠气囊的有限元模型。基于控制体积方法,采用有限元分析软件LS-DYNA进行折叠气囊的展开仿真计算。通过与地面展开试验的初步对比,验证气囊环向折叠建模方法的有效性。考虑不同水深带来的外部压力效应不同,进一步分析充气压力、充气管径、水深、环境热交换等设计参数对水下折叠气囊展开过程的影响。结果表明:气囊极限工作深度随充气压力的升高而线性增加;充气时间随充气管径的增加而减小;环境与展开系统的传热作用主要发生在气囊与环境之间,在气囊与气瓶充气平衡后进行,气囊完全展开的时间随着传热系数增加而减小。

关键词：水下无人航行器折叠气囊充气展开助浮折叠建模有限元模型初始矩阵法

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充气展开式再入航天器落点精度影响因素研究

载人航天 2018年第6期24卷 719-724页

作者：和宇硕刘飞沙莎付仕明穆育强刘昕航天科工空间工程发展有限公司北京100854 北京电子工程总体研究所北京100854

为了明确充气展开式再入航天器落点精度的影响因素,针对充气展开式航天器的典型外形,在完成气动力系数和标称再入弹道设计的基础上,结合所选取的误差源,分别分析了单一和组合误差源对落点偏差的影响情况。研究结果表明:大气密度、风、... 详细信息

为了明确充气展开式再入航天器落点精度的影响因素,针对充气展开式航天器的典型外形,在完成气动力系数和标称再入弹道设计的基础上,结合所选取的误差源,分别分析了单一和组合误差源对落点偏差的影响情况。研究结果表明:大气密度、风、气动力系数、再入点纵向位置偏差和再入角偏差对落点精度影响较大,应针对其中可控因素重点采取措施。后续可考虑引入再入段主动控制进一步提高落点精度。

关键词：充气展开再入弹道落点精度误差源

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空间薄膜结构充气展开研究

南京航空航天大学学报 2021年第1期53卷 27-34页

作者：院老虎康雪连冬杉陈源强翟柯嘉沈阳航空航天大学航空宇航学院沈阳110121

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... 详细信息

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。

关键词：空间薄膜结构有限元模型充气展开仿真分析动力学特性

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充气展开平面天线热变形特性研究

充气展开平面天线热变形特性研究

作者：沈坤鹏哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

平面天线的反射面大小决定了天线的灵敏度、精度等性能,大面积平面天线是卫星高性能的保证。充气展开平面天线具有质量轻、折叠效率高、收藏体积小、展开可靠性的优点。在轨工作的平面天线受太阳、地球等的空间热辐射,由于整个结构温度... 详细信息

平面天线的反射面大小决定了天线的灵敏度、精度等性能,大面积平面天线是卫星高性能的保证。充气展开平面天线具有质量轻、折叠效率高、收藏体积小、展开可靠性的优点。在轨工作的平面天线受太阳、地球等的空间热辐射,由于整个结构温度场的不均匀分布,将发生显著的热变形,天线热变形分析对提高天线形面精度及天线性能具有重要意义;同时,在轨飞行时,受卫星变轨、天线姿态调控等影响,天线将产生振动现象,天线的振动将影响卫星的动力学特性。本文设计了一种新型的充气展开平面天线,并对天线及其支撑管的热变形和振动问题进行了研究。根据平面天线结构性能的要求,并综合考虑充气展开结构特点,进行了充气展开天线的结构设计和材料设计;对所设计的平面天线及其复合材料充气管进行了模态分析,分析了支撑管直径和壁厚对充气管和充气天线振动特性的影响。利用有限元方法,分析了空间热环境下的支撑管和充气天线的温度场分布和热变形问题。考虑了太阳辐射热流、地球辐照等空间热流对复合材料充气支撑管温度场和热变形的影响,研究了热性能参数对结构热变形的影响,分析了太阳直射区和地球的本影区两种极端条件下的温度场的热变形;讨论了支撑管直径和壁厚对支撑管温度场和热变形的影响;计算了充气天线的温度场和热变形,讨论了膨胀系数好弹性模量这两个材料参数对热变形的影响。在此基础上,提出了减小热变形的几点措施,以保证充气天线等精密空间结构能够正常工作。

关键词：充气展开平面天线温度场热变形振动

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充气展开技术及空间应用

充气展开技术及空间应用

作者：康雪沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

充气展开技术可以应用于空间薄膜结构的展开,与传统的机械展开方式相比具有结构重量轻、发射成本低、折叠体积小等显著优点,能够应用在太阳能帆板的展开、废弃卫星的离轨等多领域中,因此对空间薄膜结构展开过程平稳与否的研究具有十分... 详细信息

充气展开技术可以应用于空间薄膜结构的展开,与传统的机械展开方式相比具有结构重量轻、发射成本低、折叠体积小等显著优点,能够应用在太阳能帆板的展开、废弃卫星的离轨等多领域中,因此对空间薄膜结构展开过程平稳与否的研究具有十分重要的意义。本文在总结了国内外研究进展的基础上,分析了空间薄膜结构在展开过程中的动力学问题,针对气球形薄膜结构和太阳帆薄膜结构进行了充气展开过程的仿真研究,主要研究内容如下:首先,本文通过分析控制体积法、显示动力学积分算法和接触算法等理论在薄膜结构充气展开过程中的应用,得到控制体积法和显示动力学积分算法可以使薄膜结构在建模和仿真过程中有效避免穿透现象和零能模式,并节省了存储空间和计算时间。其次,运用LS-PREPOST和LS-DYNA建立了气球形薄膜结构的有限元模型并设定4种不同的工况来模拟充气展开过程,将定常充气速率设为标准充气情况,改变充气速率、温度和压强作为其他3种工况,对各种工况下的展开特性进行对比分析,可以得到当充气温度为750K时是理想的展开状态。最后,在对气球形薄膜结构的充气展开过程研究基础上,利用LS-PREPOST对太阳帆进行了有限元建模,并提出了两种新颖的折叠方式,即Z折叠方式和Z+卷曲折叠方式,而后在LS-DYNA中设定一种标准充气情况,改变充气速率、温度、压强以及充气位置作为其他的工况,对采取两种折叠方式的模型在各种工况下的展开特性进行对比分析,可以得到Z折叠方式下的太阳帆展开平稳性更好,更适用于工程实际应用,并将模型的仿真结果与相关文献中的实验数据相对比,验证了模型的可行性。

关键词：气球形薄膜结构太阳帆非线性动力学充气展开

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充气展开自硬化支撑管的设计与分析

充气展开自硬化支撑管的设计与分析

作者：管瑜浙江大学

学位级别：硕士

空间充气展开技术是一项新技术,在构建大型空间结构方面具有非常独特的优势。空间充气展开结构通常由复合薄膜制成,具有超轻、折叠体积小、制作成本低和很高的展开可靠性等显著优点,是超大型空间结构的发展方向。充气展开支撑管是一维... 详细信息

空间充气展开技术是一项新技术,在构建大型空间结构方面具有非常独特的优势。空间充气展开结构通常由复合薄膜制成,具有超轻、折叠体积小、制作成本低和很高的展开可靠性等显著优点,是超大型空间结构的发展方向。充气展开支撑管是一维展开结构,是空间充气展开结构的基本构件和重要组成部分,对其进行研究具有很大的意义。本文研究的充气展开自硬化支撑管由层合碾压铝箔薄膜和弹簧卷尺制作而成,构成管壁的层合碾压铝箔薄膜材料具有充气硬化的特性,粘贴在管壁内侧轴线方向的弹簧卷尺则是承受荷载的主要构件。充气展开自硬化支撑管具有制作简单、强度高、费用少、质量轻、折叠体积小等优点,而且其硬化方法简单、可靠。本文首先通过查阅国内外大量相关文献,介绍了充气展开技术的优点,对充气展开结构在国内外的发展应用情况进行了总结,并预测了充气展开结构的发展前景。然后介绍了目前国内外发展起来的各类一维展开支撑结构,包括机械展开支撑结构和充气展开支撑结构;通过对比选择,阐述了本文研究的充气展开自硬化支撑管所采用的结构方案,并对材料参数、几何参数、性能指标参数进行了归纳。对充气薄膜圆柱管的极限弯矩表达式进行了推导,根据材料的不同力学模型假设,得出了两个不同的极限弯矩表达式。对充气展开自硬化支撑管的各个结构参数进行研究,确定了层合碾压铝箔薄膜的充气硬化气压,确定了弹簧卷尺截面各个参数的最优值。制作了层合碾压铝箔薄膜充气展开/硬化支撑管和充气展开自硬化支撑管模型,对其制作工艺作了研究,并进行了力学分析。最后总结了充气展开结构展开控制的必要性及其要求,介绍了一维展开支撑管的多种展开控制方法及其装置。研究了本文制作的充气展开自硬化支撑管的展开控制所采用的展开控制方法,即通过在充气展开自硬化支撑管的外壁粘贴尼龙搭扣进行展开控制。通过实验验证了其可行性,并提出了一种模拟充气展开自硬化支撑管展开过程的数值方法。

关键词：空间结构充气展开自硬化支撑管展开控制层合碾压铝箔薄膜弹簧卷尺

屏间充气展开式多屏防护结构及其防护性能分析

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载人航天 2022年第1期28卷 75-80页

作者：徐铧东于东刘文翔石景富苗常青哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工业大学机电学院机械设计系哈尔滨150001

为提高航天器空间碎片防护结构的防护性能,减小其发射体积,提出了一种可折叠发射的屏间充气展开式多屏防护结构,通过充气展开支撑管在轨充气展开,成型为多屏大间距防护结构。分析了展开式多屏防护结构的空间碎片防护性能,得到了屏间距... 详细信息

为提高航天器空间碎片防护结构的防护性能,减小其发射体积,提出了一种可折叠发射的屏间充气展开式多屏防护结构,通过充气展开支撑管在轨充气展开,成型为多屏大间距防护结构。分析了展开式多屏防护结构的空间碎片防护性能,得到了屏间距对多屏结构防护性能的影响规律。结果表明:在相同面密度下,展开式多屏防护结构的防护性能显著优于单屏防护结构,且其防护性能随屏间距的增大而提高。

关键词：充气展开防护结构空间碎片超高速碰撞防护性能

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一种基于任意拉格朗日-欧拉方法的降落伞充气展开数值模型

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科学技术与工程 2021年第2期21卷 801-807页

作者：陈晨郭琪磊中国民用航空飞行学院广汉618307

降落伞充气展开过程是一个典型时变非线性流构耦合问题,大多研究所建立的数值计算模型未考虑织物透气性和初始投放速度的影响。为修正模型,基于任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)方法和动网格技术,考虑织物透气性并预设... 详细信息

降落伞充气展开过程是一个典型时变非线性流构耦合问题,大多研究所建立的数值计算模型未考虑织物透气性和初始投放速度的影响。为修正模型,基于任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)方法和动网格技术,考虑织物透气性并预设初始投放速度,建立了降落伞充气展开的有限元模型。计算了充气过程中,有限质量情况下C-9伞的开伞力,并与实验数据对比,验证了该模型的正确性与合理性。随后分析了其开伞过程中伞衣应力分布特征与气动减速特性,为降落伞数值建模和结构设计提供一定参考。

关键词：任意拉格朗日-欧拉降落伞充气展开有限质量

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太阳帆膜杆机构充气展开动力学研究

太阳帆膜杆机构充气展开动力学研究

作者：李理想湖南大学

学位级别：硕士

随着太空资源探索速度的加快,越来越多的卫星、小卫星被送入太空,如何改善传统的燃料能源动力方式、增加飞行器的在轨工作时间和实际利用效率变得尤为重要。空间太阳帆在这个时候走进了人们的视野,逐渐取代了部分传统的机械结构。本文... 详细信息

随着太空资源探索速度的加快,越来越多的卫星、小卫星被送入太空,如何改善传统的燃料能源动力方式、增加飞行器的在轨工作时间和实际利用效率变得尤为重要。空间太阳帆在这个时候走进了人们的视野,逐渐取代了部分传统的机械结构。本文着重对方形太阳帆的结构设计以及展开过程进行仿真动态分析,主要研究内容如下:(1)本文研究了在仿真展开动力学过程中所涉及的部分有限元理论知识,如:接触问题、时间步长控制、振动阻尼、控制体积法等;针对方形太阳帆结构中的薄膜折叠问题,本文引入了有限元软件中常用的几种折叠类型,并进行了简单的应用介绍。(2)本文对薄膜折叠展开部分进行了重点研究,主要包含:传统折叠方法的理论介绍,以及双Z型折叠法的部分设计及折叠展开分析。在双Z型折叠法中,本文介绍了两种薄膜折叠方式(M型和U型)的折痕设计、网格划分方法、以及折叠方法技巧等,并分别研究了薄膜网格密度、约束方式、折叠方式等对于薄膜展开过程的影响。基于薄膜在太阳帆结构中的实际运动状态,本文还探究了薄膜展开力与速度的关系,并结合薄膜的实际运动状态对不同类型薄膜的展开适应情况进行了简单的探究。(3)本文对豆荚杆结构进行了优化展开分析,主要包含建模过程的优化以及展开过程的优化。对于建模优化,本文结合编程软件建立自动建梁程序,提高建模的速度和准确性,并结合部分实验数据对尼龙搭扣的力学参数进行了优化设计,使仿真过程更贴近于实际实验。对于展开优化,本文研究了不同梁单元建模方式、不同长度的豆荚杆展开过程,证明了优化参数的准确性并提出了模型扩大化的猜想。基于豆荚杆在太阳帆结构中的实际运动状态,本文还研究了展开过程中的部分力学特性(梁的失效形式对展开过程的影响、连接点位置和角度对豆荚杆可提供最大拉力的影响)。(4)本文研究了两种太阳帆结构的建模以及展开动力学过程,并对其部分动态参数进行了探讨分析,得出各自结构展开的优缺点以及适用性,并以此提出改进方法及思路。

关键词：太阳帆有限元仿真充气展开薄膜折叠展开豆荚杆