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形状记忆变刚度空间可展开结构的设计

作　者: 张蕊瑞
导　师: 冷劲松
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程力学
关键词: 形状记忆复合材料空间可展开结构有限元模拟动力学模拟
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

形状记忆复合材料是一种新型的智能材料,该材料不仅具有良好的承载能力,并且具有主动变形的功能。将形状记忆复合材料作为功能结构材料应用于空间可展开结构中,是一种崭新的智能结构应用形式,其应用形式有望使得航天器智能变形结构得到极大地发展。基于以上研究背景,本文以一种适应空间恶劣环境的形状记忆环氧聚合物为研究基础,制备了它的碳纤维增强复合材料,对其材料和结构进行了设计,并将其应用于空间铰链结构和桁架结构。具体工作如下:(1)测试了形状记忆复合材料的热-机械性能、单向板的基本力学性能、不同温度环境下纤维布增强复合材料层合板的力学性能,并将单向板的弹性常数带入经典层合板理论中计算出层合板的弹性常数,与常温测试的层合板弹性常数比较,二者吻合较好。(2)以上述测试结果作为设计的基本参数,运用经典层合板理论及材料力学理论对层合板的几何形状、厚度、材料组分、加热驱动方式进行了分析设计;运用ABAQUS有限元软件对层合板弯曲过程进行仿真分析,得到其展开过程中的输出力矩、最大应力-应变等关系;同时应用ABAQUS有限元软件优化分析得到其最佳几何形式、材料组分、厚度。(3)以圆弧薄壳状层合板结构作为铰链结构和桁架结构的主要部件,初步设计出铰链结构和桁架结构的整体模型;运用ADAMS动力学软件对铰链和桁架整体模型进行仿真模拟,得到其展开动力学特征。(4)按照设计方案制备了铰链结构和桁架结构,进行了层合板回复力的测试,成功实现了地面模拟失重情况下铰链展开帆板和桁架展开的验证实验;将验证结果与模拟结果进行对比分析:实际层合板回复力与有限元模拟层合板弯曲的输出力矩的对比;实际铰链展开帆板过程与动力学仿真铰链展开帆板过程的对比;实际桁架展开过程与动力学仿真的桁架展开过程的对比,三组对比结果吻合性较好,从而验证了该设计的合理性。本文是对形状记忆复合材料应用于空间可展开结构的基础研究。结果证明,该形状记忆复合材料具有良好的材料性能,可以满足空间环境对材料的要求,适合应用于空间可展开结构。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题背景及研究意义  9
  1.2 空间可展开结构的发展概况  9-12
    1.2.1 空间可展开结构及其分类  9-10
    1.2.2 空间可展开结构的国内外研究现状  10-12
  1.3 形状记忆复合材料的发展概况  12-13
    1.3.1 形状记忆聚合物及其发展  12-13
    1.3.2 形状记忆复合材料及其应用  13
  1.4 变刚度空间可展开结构的发展概况  13-16
    1.4.1 变刚度空间可展开结构及其特点  13
    1.4.2 变刚度空间可展开结构的国内外研究现状  13-16
  1.5 本文的主要研究内容  16-17
第2章形状记忆复合材料的基本力学性能研究  17-27
  2.1 引言  17
  2.2 形状记忆复合材料的力学性能测试  17-26
    2.2.1 热-机械能(DMA)测试  17-19
    2.2.2 静态力学性能测试  19-25
    2.2.3 高低温环境下的力学性能  25-26
  2.3 本章小结  26-27
第3章变刚度空间可展开层合板结构设计  27-46
  3.1 引言  27
  3.2 层合板结构几何形状的设计  27-29
  3.3 层合板厚度的设计  29-30
  3.4 层合板材料组分的设计及加热驱动方式  30-31
  3.5 层合板的有限元模拟分析  31-44
    3.5.1 模型建立  31
    3.5.2 材料属性  31-32
    3.5.3 边界条件及网格划分  32
    3.5.4 查看有限元模拟结果  32-41
    3.5.5 材料性能影响因素的优化分析  41-44
  3.6 本章小结  44-46
第4章变刚度空间可展开结构的设计  46-60
  4.1 引言  46
  4.2 变刚度空间可展开铰链结构的设计  46-52
    4.2.1 铰链的主体结构设计  46-49
    4.2.2 铰链末端夹具的设计  49-50
    4.2.3 基于 ADAMS 的铰链展开太阳帆板的仿真分析  50-52
  4.3 变刚度空间可展开桁架的结构设计  52-58
    4.3.1 桁架的整体结构设计  52-54
    4.3.2 桁架伸展锁紧的关键技术  54-56
    4.3.3 基于 ADAMS 的桁架结构仿真分析  56-58
  4.4 本章小结  58-60
第5章变刚度空间可展开结构的研制  60-71
  5.1 引言  60
  5.2 形状记忆复合材料层合板制备  60-62
    5.2.1 层合板的制备  60-61
    5.2.2 形状记忆层合板回复力测试  61-62
  5.3 铰链的制备和展开实验  62-65
    5.3.1 铰链的制备  63-64
    5.3.2 铰链/太阳帆板结构的地面模拟失重展开演示验证  64-65
  5.4 桁架结构的制备和展开实验  65-69
    5.4.1 桁架的制备  65-68
    5.4.2 桁架的展开演示验证  68-69
  5.5 本章小结  69-71
结论  71-72
参考文献  72-77
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  77-79
致谢  79

形状记忆变刚度空间可展开结构的设计

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