The invention discloses an optimized design method for eliminating the tensile fold of a film structure, and solves the problem that the macro film structure and the graphene structure are prone to fold under tensile load. Based on plane finite element analysis, the minimum principal stress constraint of each unit in control of the film structure of the main stress distribution, the topology optimization technology for thin film materials distribution design, and then obtain the structure with curved boundaries or holes, in order to achieve the purpose of completely eliminate the wrinkles. In this way to ensure the complete elimination of wrinkles, can achieve precise positioning of complex film structure and hole shape optimization design, high degree of automation, will ensure the efficiency of research and development of membrane structure of wrinkle free creative design.
【技术实现步骤摘要】
一种用于消除薄膜结构拉伸褶皱的优化设计方法
本专利技术属于航空航天薄膜结构设计和石墨烯纳米材料结构设计
,提出了一种以消除褶皱现象为目的的薄膜结构优化设计方法。本专利技术采用一种新的优化模型及方法对薄膜边界进行裁剪和对内部进行孔洞设计,实现拉伸载荷下薄膜结构主应力分布的调控,从而有效消除薄膜在拉伸状态下可能产生的褶皱,完全实现薄膜类结构的无皱化。
技术介绍
随着科技的发展和人类文明的进步,作为一种典型的结构型式,空间薄膜结构越来越多地被用于航空航天结构,如太阳帆、充气天线、薄膜反射镜等。这些结构充分利用了薄膜易折叠\易展开、重量轻、体积小等优势,可以解决火箭运载对体积、质量的限制与不断增加的大尺寸、大口径使用要求之间的矛盾,因此极具诱人的应用前景。但是,由于弯曲刚度非常小,薄膜即使在张拉状态下也很容易发生面外屈曲现象,即褶皱。在航空航天应用中,经常要求这类薄膜必须保持表面光滑。例如薄膜反射镜,固定边界条件容易导致薄膜产生褶皱,进而影响表面光的反射从而降低成像的精确性。太阳帆的四个角受到集中力也易产生褶皱,从而影响光子反射角度及太阳光子压力方向。并且,大的褶皱还可能导致光子能量的局部集中引起局部高温,发生蠕变现象影响薄膜寿命。因此,如何有效消除薄膜褶皱现象在航空航天领域显得尤其重要。另外,在纳米材料领域,作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被科学家称为可能“彻底改变21世纪”的“新材料之王”,在移动设备、航空航天、新能源电池领域极具发展潜力。石墨烯(Graphene)是一种只有一个原子层厚度的准二维材料结构,厚度大约 ...
【技术保护点】
一种用于消除薄膜结构拉伸褶皱的优化设计方法,其特征在于以下步骤:第一步,对薄膜结构进行无皱化拓扑优化(1)根据结构的尺寸要求和实际加载情况确定设计域,建立薄膜结构拓扑优化初始设计;在设计域中施加荷载和约束边界,划分有限元单元网格;(2)建立薄膜结构无皱化拓扑优化模型,使薄膜结构的整体刚度最大化或者整体柔顺性最小化a)约束一:每个有限元单元最小主应力大于零,即
【技术特征摘要】
1.一种用于消除薄膜结构拉伸褶皱的优化设计方法,其特征在于以下步骤:第一步,对薄膜结构进行无皱化拓扑优化(1)根据结构的尺寸要求和实际加载情况确定设计域,建立薄膜结构拓扑优化初始设计;在设计域中施加荷载和约束边界,划分有限元单元网格;(2)建立薄膜结构无皱化拓扑优化模型,使薄膜结构的整体刚度最大化或者整体柔顺性最小化a)约束一:每个有限元单元最小主应力大于零,即其中,e为有限元单元编号,σ1为最大主应力,σ2为最小主应力;b)约束二:确定薄膜面积用量,作为面积约束上限;所述的薄膜面积用量为设计域面积的60%-90%;c)设计变量:设计域内有限元单元的相对密度ρe,ρe取值为α和1之间,代表单元处薄膜材料的分布;其中,α是一个远小于1的正数;(3)根据步骤(2)建立的拓扑优化模型,对约束一等效变换为其中I1和J2分别为有限元单元的...
【专利技术属性】
技术研发人员:罗阳军,亢战,李明,
申请(专利权)人:大连理工大学,
类型:发明
国别省市:辽宁,21
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