大型太阳帆膜面展开-应力导入-成形分析理论研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
11172180
项目类别：
面上项目
资助金额：
62.0万
负责人：
彭福军
依托单位：
上海宇航系统工程研究所
学科分类：
A0814.极端条件下材料与结构力学
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
张大旭；张化岚；咸奎成；杜三虎；张华；李瑞雄；赵俊钊；谢超；胡建辉；
关键词：
展开折叠分析太阳帆应力导入分析零应力态成形分析

项目摘要

提出太阳帆膜面体系的状态、过程、分析的逻辑模型；基于设计理想形态，由索膜杆力密度平衡方程，根据线性调整理论，使节点残余力最小，求最小二乘解，建立预张力优化与找力分析相统一的找力优化分析理论；根据优化的平衡形态、索膜杆物理参数，反算无应力长度和变形量，由几何协调方程逆向非线性迭代求解零应力态，进而建立应力导入、成形分析理论，以揭示内部力学机理和优化外部表征为目标研究形态。提出质点-膜线（索）模型，基于拉格朗日运动方程，采用欧拉法求解，考虑膜松弛和自接触，建立展开折叠分析理论，研究展开折叠机理与规律。研制两个边长2.0m四边形太阳帆技术验证样机，设计先进的试验方案，分别模拟自旋和伸展的展开方案及应力导入、成形，并进行精确测试和试验分析研究，通过试验验证计算分析理论。针对所研究计算分析理论，开发相应分析系统软件，将理论研究、样机研制与工程应用背景结合，促进大型太阳帆关键分析理论和技术的发展。

结项摘要

太阳帆是利用太阳光照驱动飞行的航天器，其采用超大尺度薄膜制成。太阳帆发射阶段折叠，入轨后空间展开，其形面和姿态受张力控制，因此，折叠展开和张力控制是核心问题。.项目针对太阳帆张力优化、导入和展开分析，开展理论、分析和试验研究。基于膜线模型，建立弹性分布式冗余度计算方法，由此可实现此张力体系的找力、张力优化；以张力平衡态为基础，根据膜线弹性本构求其无应力长度，应用广义逆矩阵理论进行逆迭代，建立零应力态计算方法，并逆向以此为起点通过张力导入可获得准确的平衡态和张拉量控制；采用膜线建立折叠模型，并将质量等效于节点，考虑膜面接触问题，建立了太阳帆展开模拟方法，同时基于离散元（DEM）建立了帆面展开模拟方法；对采用较成熟FEM对太阳帆的预张力导入、迭代优化、折叠分析、显式动力法展开模拟进行了研究，这些方法可初步实现太阳帆基本的数值模拟；对太阳帆伸展结构（豆荚杆、盘绕式伸展臂）的盘绕进行试验分析研究，形成有效的数值模拟方法；研制了太阳帆薄膜热合设备，并定制了制作工艺，突破了制造技术。.项目突破了太阳帆设计制备关键技术，初步形成以膜线建模的太阳帆模拟方法，为深入理论研究和技术验证奠定了基础。