一种空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法技术

本发明专利技术属于薄膜技术领域，公开了一种空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析一种空间薄膜结构褶皱的分析方法。本发明专利技术首先对薄膜结构褶皱研究的三种数值方法进行了比较，并与试验结果进行了对比，验证了方法的正确性，得出动力显示法是一种较为合适的褶皱分析方法的结论；采用动力显示法分析了在不同膜材厚度、不同网格密度和不同剪切位移下Kapton矩形剪切薄膜褶皱的主应力和弹性应变能分布规律及原因，得出以下结论：单元网格大小仅仅影响计算的精度和计算量，而影响薄膜褶皱的两个重要参数是膜材厚度和剪切位移，对薄膜褶皱的主应力大小、主应力波形曲线振幅、弹性应变能密度以及薄膜总弹性应变能影响都较大，其规律对工程实际具有重要参考价值。

【技术实现步骤摘要】
一种空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法
本专利技术属于薄膜
，尤其涉及一种空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析一种空间薄膜结构褶皱的分析方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：由于薄膜材料抗弯刚度极小，受到某种荷载作用致使内部产生压应力时，很容易发生平面外屈曲，产生褶皱。对于薄膜结构的褶皱研究，国内外学者主要集中在褶皱数量、幅度、半波长和剪切角度的影响因素以及应力的分布、褶皱对薄膜动态特性的影响等方面。主要研究理论有张力场理论、分叉屈曲理论和有限质点理论，对于褶皱的研究主要采用有限元分析方法，常见的有限元分析方法包括非线性屈曲法、直接扰动法和动力显示法等。YWesleyWang和SergioPellegrino通过有限元软件ABAQUS结合实验研究了矩形薄膜受剪切和方形薄膜对角张拉两种情况的褶皱分布和应力分布；王震开发了向量式有限元分析方法并研究了褶皱扩展变形全过程；殷亮通过有限元软件ABAQUS结合实验研究了矩形薄膜受剪切的褶皱幅值、褶皱半波长、褶皱角度和褶皱数量的影响因素；李云良通过有限元软件ANSYS研究了矩形薄膜受剪切的二次屈曲行为、薄膜屈曲缺陷敏感性；马瑞通过有限元软件ANSYS/LS-YNA研究了褶皱对薄膜动力特性的影响。薄膜褶皱形成过程中弹性应变能和主应力分布分析，有助于实际工程中薄膜结构规避高弹性应变能带来的破坏力，对于褶皱的形成机理的探究以及褶皱的预测与控制有着重要意义，能为薄膜结构的设计提供参考。但是国内外文献对褶皱产生时弹性应变能和应力的分布和影响报道很少。综上所述，现有技术存在的问题是：从文献资料来看，国内外对于薄膜结构的褶皱研究，主要集中在褶皱数量、幅度、半波长和剪切角度的影响因素以及应力的分布、褶皱对薄膜动态特性的影响等方面，缺乏对薄膜褶皱的形成机理的探究，因此，本专利技术试图从能量和应力的角度对褶皱的形成机理进行深入研究，为褶皱的预测与控制提供重要参考；现有薄膜因其厚度薄、抗弯刚度小，当外载荷产生的压应力超过临界压应力时，就会出现局部屈曲现象而形成褶皱。褶皱的出现不仅会影响薄膜结构的表面精度，还会改变结构的应力分布状态，进而影响结构的静力和动力特性。解决上述技术问题的难度和意义：空间结构中常常使用的Kapton和Mylar薄膜厚度都非常薄，在太空环境或施工过程中，都会产生压应力，一旦外载荷产生的压应力超过临界应力，薄膜便会产生局部屈曲的现象，即褶皱。褶皱的存在，会使得表面张力减小、刚度降低，从而影响用薄膜制成的空间结构如反射面、太阳帆以及充气天线等结构的表面精度，直接影响收发信号能力的强弱，因此如何消除褶皱的形成和产生，是一项艰巨而重要的任务，而褶皱的形成离不开能量和应力。本专利技术试图从能量和应力的角度研究褶皱的形成机理，对于褶皱的预测和防范具有直接而重要的意义。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析一种空间薄膜结构褶皱的分析方法。本专利技术是这样实现的，一种空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法，包括：以非线性有限元软件ABAQUS为平台，运用非线性屈曲法、直接干扰法以及动力显示法分别对薄膜褶皱的数量、面外变形及褶皱幅值进行分析，并与试验结果进行对比，验证数值分析方法的正确性；以非线性有限元软件ABAQUS为平台，运用非线性屈曲法、直接干扰法以及动力显示法分别对薄膜褶皱的数量、面外变形及褶皱幅值进行分析，包括：首先建模，建模过程参考图2的流程进行，具体建模过程见表1。表1三种方法的建模过程利用ABAQUS为平台进行计算，再对结果进行比较分析，尽管都是利用ABABQUS为平台，但由于三种方法的原理不同，采用算法和添加面外扰动的方式不同，因此其计算结果不同，计算结果见表2。表2褶皱信息表褶皱数量(个)中部褶皱幅值(mm)中部褶皱波长(mm)中部褶皱剪切角度(°)实验结果130.48125.7非线性屈曲法130.48927.145.5直接扰动法130.47224.745.5动力显示法130.47626.445.5并与试验结果进行对比，包括：将计算得到的结果(如表2所示)与文献(李云良，谭惠丰，王晓华.矩形薄膜和充气管的屈曲及后屈曲行为分析[J].航空学报，2008，29(4)：886-892)的试验结果，如褶皱数量、中部褶皱幅值、中部褶皱波长以及中部褶皱剪切角度等数值进行比较，看吻合的程度怎样。比较的结果是：褶皱数量与试验相同，都是13，但采用非线性屈曲法、直接扰动法和动力显示法计算的1-1截面中部褶皱幅值分别为0.489mm、0.472mm和0.476mm，与试验值0.481mm相比，分别增加1.5％、减小1.9％和减小1％。因此从比较的结果来看，动力显示法最接近试验结果，且动力显示法没有采用整体切线刚度矩阵，不需要平衡迭代和收敛控制。此方法分析速度快，建模和分析过程简单，容易收敛。因此动力显示法是一种最合适的分析褶皱的方法。在非线性屈曲法、直接干扰法和动力显示法中选取最合适的方法，在不同网格密度、不同膜材厚度和不同剪切位移下对矩形薄膜受剪切褶皱的能量和应力分布进行进一步分析，包括：第一步，分别在不同网格密度、不同膜材厚度和不同剪切位移等三种不同工况进行建模，同样参考图2的流程进行。第二步，计算三种不同工况下薄膜弹性应变能密度分布、主应力分布以及整个薄膜所具有的能量。第三步，比较三种工况下计算得到的薄膜弹性应变能密度分布、主应力分布以及整个薄膜所具有的能量与网格密度、膜材厚度和剪切位移等参数之间的关系，总结规律，得出有益结论，为薄膜褶皱的预测和防范提供工程实践参考。进一步，所述非线性屈曲法包括：首先通过模态屈曲分析得到薄膜结构的屈曲模态，再把模态的线性组合作为几何初始缺陷添加到薄膜结构中，触发褶皱的形成；在采用Newton-Raphson算法，初始几何缺陷通过面外变形的方式添加到薄膜上时，组成方式包括：式中Δz为面外位移值；ωi为第i阶模态；为折减系数。进一步，所述直接扰动法包括：在满足公式(2)的情况下撤去面外扰动力最为合适；式中δ1为总荷载；δ2为预载；δ′1为撤去扰动力时的荷载，δ″1为撤去扰动力后的荷载。进一步，所述动力显示法包括：采用动力显示分析步和显式中心差分法对运动方程进行求解，方程如下：式中u为位移；为速度；ü为加速度；M为质量矩阵；P为荷载向量；I为内力向量；其中Δt(n+1/2)＝t(n+1)-t(n)，Δt(n-1/2)＝t(n)-t(n-1)。本专利技术另一目的在于提供一种计算机程序，所述计算机程序运行所述的空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法。本专利技术另一目的在于提供一种终端，所述终端至少搭载实现所述空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法的控制器。本专利技术另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法。本专利技术另一目的在于提供一种实现所述空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法的空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析系统。本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术首先对薄膜结构褶皱研究的三种数值方法进行了比较，分析了各自的特点，并与试验结果进行了对比，验证了其正确性，得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法，其特征在于，所述空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法包括：以非线性有限元软件ABAQUS为平台，运用非线性屈曲法、直接干扰法以及动力显示法分别对薄膜褶皱的数量、面外变形及褶皱幅值进行分析，并与试验结果进行对比，验证数值分析方法的正确性；在非线性屈曲法、直接干扰法和动力显示法中选取最合适的方法，在不同网格密度、不同膜材厚度和不同剪切位移下对矩形薄膜受剪切褶皱的能量和应力分布进行进一步分析，分析薄膜弹性应变能密度分布、主应力分布以及整个薄膜所具有的能量。

【技术特征摘要】
1.一种空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法，其特征在于，所述空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法包括：以非线性有限元软件ABAQUS为平台，运用非线性屈曲法、直接干扰法以及动力显示法分别对薄膜褶皱的数量、面外变形及褶皱幅值进行分析，并与试验结果进行对比，验证数值分析方法的正确性；在非线性屈曲法、直接干扰法和动力显示法中选取最合适的方法，在不同网格密度、不同膜材厚度和不同剪切位移下对矩形薄膜受剪切褶皱的能量和应力分布进行进一步分析，分析薄膜弹性应变能密度分布、主应力分布以及整个薄膜所具有的能量。2.如权利要求1所述的空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法，其特征在于，在非线性屈曲法、直接干扰法和动力显示法中选取最合适的方法，在不同网格密度、不同膜材厚度和不同剪切位移下对矩形薄膜受剪切褶皱的能量和应力分布进行进一步分析，具体包括：第一步，分别在不同网格密度、不同膜材厚度和不同剪切位移三种不同工况进行建模；第二步，计算三种不同工况下薄膜弹性应变能密度分布、主应力分布以及整个薄膜所具有的能量；第三步，比较三种工况下计算得到的薄膜弹性应变能密度分布、主应力分布以及整个薄膜所具有的能量与网格密度、膜材厚度和剪切位移参数之间的关系。3.如权利要求1所述的空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法，其特征在于，所述非线性屈曲法包括：首先通过模态屈曲分析得到薄膜结构的屈曲模态，再把模态的线性组合作为几何初始缺陷添加到薄膜结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖潇，章桥，陈振富，
申请(专利权)人：南华大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43