一种预测可折叠薄壁复合材料管件临界折叠半径的方法技术

一种预测可折叠薄壁复合材料管件临界折叠半径的方法，该方法有三大步骤：步骤一、计算可折叠薄壁复合材料管件的折叠应变矩阵；步骤二、计算可折叠薄壁复合材料管件折叠后的主轴应力；步骤三、建立计算可折叠薄壁复合材料管件临界折叠半径的理论模型。本发明专利技术具有简便、使用且精确的特点，仅需要开口薄壁圆管的几何参数及基本力学性能参数，即可计算出可折叠薄壁复合材料管件的临界折叠半径，具有重要工程应用价值和一定学术意义。

A method to predict the critical folding radius of the collapsible thin-walled composite pipe

【技术实现步骤摘要】
一种预测可折叠薄壁复合材料管件临界折叠半径的方法
本专利技术提供一种预测可折叠薄壁复合材料管件临界折叠半径的理论方法，属于复合材料结构设计与分析领域。
技术介绍
可折叠薄壁复合材料管件可将大型航天结构在发射时收拢到足够小以便于运输和发射，在航天器入轨后展开形成大型结构以执行航天任务，其在航天领域应用非常广泛。国内外对其力学性能开展了大量研究。研究表明，在可折叠薄壁复合材料管件的折叠过程中，初始弯曲载荷与弯曲角度成正比，当弯曲载荷达到某一临界值(折叠峰值力矩)时，增加微小力矩，结构即发生巨大屈曲变形，呈现明显几何非线性。在可折叠薄壁复合材料管件的展开过程中，其变形与载荷呈现明显的非线性响应。为探究可折叠薄壁复合材料管件的折叠与展开过程中的非线性性能，目前已经发展了基于弹性壳体理论、屈曲理论和能量原理的分析方法。然而，很少有研究涉及可折叠薄壁复合材料管件的临界折叠半径，而临界折叠半径直接影响可折叠薄壁复合材料管件收拢时的体积，折叠半径过大则浪费航天器体积容量，折叠半径过小则会导致复合材料圆管失效，工程上迫切需要一种预测开口复合材料圆管临界折叠半径(复合材料圆管刚好发生失效对应的折叠半径)的实用方法。因此，本文建立了一种预测可折叠薄壁复合材料管件临界折叠半径的理论方法，该方法具有精确、实用和简便的优点，仅需要可折叠薄壁复合材料管件的几何参数及基本力学性能作为输入值，具有重要工程应用价值和一定学术意义。
技术实现思路
1、目的：本专利技术目的是提供一种预测可折叠薄壁复合材料管件临界折叠半径的方法，该方法具有精确、实用和简便的优点，对于可折叠薄壁复合材料管件的设计和应用具有指导意义。2、技术方案：一种预测可折叠薄壁复合材料管件临界半径的方法，该方法具体步骤如下：步骤一、计算可折叠薄壁复合材料管件的折叠应变矩阵[ε]可折叠薄壁复合材料管件的折叠方式如图1所示，可折叠薄壁复合材料管件的形状尺寸如图2所示。将折叠过程分解成两步：1)沿横向展平圆管，将圆管变成平板；2)将平板沿纵向折叠卷起。在横向展平可折叠薄壁复合材料管件的过程中，复合材料层合板各层的应变为式中，i为从上至下层合板层数，r1为层合板最上层对应的初始半径，t为层合板单层厚度，n为层合板层数，x轴沿圆管纵向，y为沿横截面圆周的周向。在将平板沿纵向折叠卷起的过程中，复合材料层合板各层的应变为式中，r2为层合板最上层对应的折叠半径。整体折叠过程中，复合材料层合板各层的折叠应变为式中，εx和εy为x轴和y轴拉伸应变，γxy为剪切应变。复合材料各层主轴方向应变为其中式中，ε1和ε2为1轴和2轴拉伸应变，γ12为剪切应变，[T]为坐标转换矩阵，θ为偏轴方向与主轴方向之间的夹角。步骤二、计算可折叠薄壁复合材料管件折叠后的主轴应力根据层合板理论和式(4)，可得复合材料层合板各层的主轴应力为其中Q66＝G12(10)式中，σ1和σ2为1轴和2轴拉伸应力，τ12为剪切应力，Q11，Q12，Q22和Q66为工程弹性常数，ν12和ν21为单层板泊松比，E1t为1轴拉伸弹性模量，E2t为2轴拉伸弹性模量，G12为剪切模量。步骤三、计算可折叠薄壁复合材料管件的临界折叠半径蔡希尔准则是判断复合材料失效的重要依据，写为式中，X为1轴方向强度，Y为2轴方向强度，S为剪切强度。将步骤二中计算得到的各层的主应力代入式(11)，解出的r2值即为临界折叠半径。附图说明图1为可折叠薄壁复合材料管件的折叠过程示意图。图2为可折叠薄壁复合材料管件的形状尺寸图。图3为本专利技术所述方法的流程框图。图中符号说明如下：图2中r1为可折叠薄壁复合材料管件初始半径，r2为可折叠薄壁复合材料管件折叠半径，n为层合板总层数，t为复合材料层合板层厚。具体实施方式图3为本专利技术所述方法的流程框图，本专利技术分三步实现，具体为：步骤一、计算可折叠薄壁复合材料管件的折叠应变矩阵[ε]可折叠薄壁复合材料管件的折叠方式如图1所示，可折叠薄壁复合材料管件的形状尺寸如图2所示。将折叠过程分解成两步：1)沿横向展平圆管，将圆管变成平板；2)将平板沿纵向折叠卷起。在横向展平可折叠薄壁复合材料管件的过程中，复合材料层合板各层的应变为式中，i为从上至下层合板层数，r1为层合板最上层对应的初始半径，t为层合板单层厚度，n为层合板层数。在将平板沿纵向折叠卷起的过程中，复合材料层合板各层的应变为式中，r2为层合板最上层对应的折叠半径。整体折叠过程中，复合材料层合板各层的折叠应变为式中，εx和εy为x轴和y轴拉伸应变，γxy为剪切应变。复合材料各层主轴方向应变为其中式中，ε1和ε2为1轴和2轴拉伸应变，γ12为剪切应变，[T]为坐标转换矩阵，θ为偏轴方向与主轴方向之间的夹角。步骤二、计算可折叠薄壁复合材料管件折叠后的主轴应力根据层合板理论和式(4)，可得复合材料层合板各层的主轴应力为其中Q66＝G12(10)式中，σ1和σ2为1轴和2轴拉伸应力，τ12为剪切应力，Q11，Q12，Q22和Q66为工程弹性常数，ν12和ν21为单层板泊松比，E1t为1轴拉伸弹性模量，E2t为2轴拉伸弹性模量，G12为剪切模量。步骤三、计算可折叠薄壁复合材料管件的临界折叠半径蔡希尔准则是判断复合材料失效的重要依据，写为式中，X为1轴方向强度，Y为2轴方向强度，S为剪切强度。将步骤二中计算得到的各层的主应力代入式(11)，解出的r2值即为临界折叠半径。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预测可折叠薄壁复合材料管件临界折叠半径的方法，具有精确、实用和简便的优点，该方法具体步骤如下：/n步骤一、计算可折叠薄壁复合材料管件的折叠应变矩阵[ε]/n可折叠薄壁复合材料管件的折叠方式如图1所示，形状尺寸如图2所示。将折叠过程分解成两步：1)沿横向展平圆管，将圆管变成平板；2)将平板沿纵向折叠卷起。/n在横向展平可折叠薄壁复合材料管件的过程中，复合材料层合板各层的应变为/n

【技术特征摘要】
1.一种预测可折叠薄壁复合材料管件临界折叠半径的方法，具有精确、实用和简便的优点，该方法具体步骤如下：
步骤一、计算可折叠薄壁复合材料管件的折叠应变矩阵[ε]
可折叠薄壁复合材料管件的折叠方式如图1所示，形状尺寸如图2所示。将折叠过程分解成两步：1)沿横向展平圆管，将圆管变成平板；2)将平板沿纵向折叠卷起。
在横向展平可折叠薄壁复合材料管件的过程中，复合材料层合板各层的应变为



式中，i为从上至下层合板层数，r1为层合板最上层对应的初始半径，t为层合板单层厚度，n为层合板层数，x轴沿圆管纵向，y为沿横截面圆周的周向。
在将平板沿纵向折叠卷起的过程中，复合材料层合板各层的应变为



式中，r2为层合板最上层对应的折叠半径。
整体折叠过程中，复合材料层合板各层的折叠应变为



式中，εx和εy为x轴和y轴拉伸应变，γxy为剪切应变。
复合材料各层主轴方向应变为


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【专利技术属性】
技术研发人员：白江波，陈迪，熊峻江，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11