豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法技术

本发明专利技术公开一种豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法，属于结构力学响应特性分析技术领域。该分析方法包括以下步骤：S1，根据豆荚杆的物理特性，建立坐标系并进行所需变量的定义，构建形成豆荚杆结构模型；S2，根据豆荚杆横截面的几何特征，并结合结构的对称性，对所述豆荚杆结构模型进行区域划分；S3，计算豆荚杆各个所述区域在盘绕收拢过程中的应变；S4，计算豆荚杆在盘绕收拢过程中每个复合材料铺层的应力与应变；S5，计算豆荚杆在收拢状态下的总应变能。本发明专利技术将复合材料的特性考虑在内，获取了复合材料每层铺层的力学响应特性以及豆荚杆收拢状态下的总应变能，可为豆荚杆的初步设计以及强度校核提供依据。初步设计以及强度校核提供依据。初步设计以及强度校核提供依据。

【技术实现步骤摘要】
豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法


[0001]本专利技术属于结构力学响应特性分析
，具体涉及一种豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法。

技术介绍

[0002]大型薄膜航天器通常采用豆荚杆作为薄膜结构的支撑结构，由于薄膜结构的尺寸很大，在航天器发射时，豆荚杆需要与薄膜结构一起收纳于航天器内部。豆荚杆一般采用高比强度、高韧性、热膨胀系数低的碳纤维增强复合材料制成，有时也称为复合材料豆荚杆，具有轻质、高刚度、高收纳率等特点。
[0003]豆荚杆采用压扁后进行盘绕收拢的方式，此收拢过程中结构的变形复杂，从豆荚杆横截面方向看，豆荚杆要从管状变为扁平状；从其轴向来看，豆荚杆要从长条状缠绕收拢到航天器内部。这两种变形的叠加极易导致其结构的破坏。所以，有必要对豆荚杆的盘绕收拢过程进行分析，寻求一种有效的豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法，从而求得复合材料豆荚杆每个铺层的应力应变情况，进而对豆荚杆进行初步的强度校核，为豆荚杆结构的改进设计提供参考，以提高复合材料豆荚杆的收拢可靠性。
[0004]目前，现有的分析方法更多地将豆荚杆结构看作整体进行分析，对结构的复合材料铺层特性涉及较少。然而，在工程实际中，复合材料豆荚杆结构的每层铺层角度、厚度及铺层数量等不尽相同，导致了结构破坏形式的多种可能性。所以，需寻求一种将豆荚杆结构复合材料铺层特性考虑在内的力学分析方法，为这类复合材料豆荚杆结构的初步设计、强度校核及改进设计提供参考。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的是提供一种豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法，旨在解决传统的理论方法与复合材料特性结合不紧密、不利于豆荚杆盘绕收拢过程参数影响分析等问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提出一种豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1，根据豆荚杆的物理特性，建立坐标系并进行所需变量的定义，构建形成豆荚杆结构模型；
[0008]步骤S2，根据豆荚杆横截面的几何特征，并结合结构的对称性，对所述豆荚杆结构模型进行区域划分；
[0009]步骤S3，计算豆荚杆各个所述区域在盘绕收拢过程中的应变；
[0010]步骤S4，根据所述豆荚杆各个所述区域在盘绕收拢过程中的应变，计算豆荚杆在盘绕收拢过程中每个复合材料铺层的应力与应变；
[0011]步骤S5，根据豆荚在盘绕收拢过程中每个复合材料铺层的应力与应变，计算豆荚杆在收拢状态下的总应变能。
[0012]进一步的，所述步骤S1中构建形成豆荚杆结构模型时，还包括给定基本假设，包括：豆荚杆的变形符合直法线假设，且厚度方向变形可以忽略；盘绕收拢过程中豆荚杆不会发生撕裂和开胶行为；在豆荚杆盘绕收拢过程中，不考虑摩擦力以及温度的影响；
[0013]所述豆荚杆结构模型中所定义的变量包括：豆荚杆长度l、凸弧段半径r
v
、凹弧段半径r
e
、凹弧段圆心角α
e
、凸弧段圆心角的一半α
v
、凸弧段总厚度t
v
、凹弧段总厚度t
e
、直线段总厚度t
s
、直线段长度w以及卷筒半径r
d
。
[0014]进一步的，所述步骤S3包括以下子步骤S3.1～S3.3：
[0015]S3.1，将豆荚杆的盘绕收拢过程分为压扁和盘绕两个子过程；
[0016]S3.2，将豆荚杆的压扁子过程简化为平面应变问题进行分析，构建豆荚杆在所述压扁子过程中各区域的应变表达式，以计算豆荚杆在所述压扁子过程中各区域的应变；
[0017]S3.3，基于基尔霍夫薄板理论分析豆荚杆的盘绕子过程，构建豆荚杆在所述盘绕子过程中各区域的应变表达式，以计算豆荚杆在所述盘绕子过程中各区域的应变。
[0018]进一步的，所述子步骤S3.2中，计算豆荚杆压扁后各区域在y
c
轴方向的应变的表达式分别为：
[0019][0020][0021][0022]上式中，z
c,v
为豆荚杆凸弧段上某一点在豆荚杆复合材料整体坐标系下z
c
坐标，z
c,e
为豆荚杆凹弧段上某一点在豆荚杆复合材料整体坐标系下z
c
坐标，r
v
、r
e
分别为豆荚杆凸、凹弧段的半径，表示豆荚杆的区域m在盘绕收拢过程中在y
c
轴方向发生的应变，下标m表示对豆荚杆横截面所划分的区域编号，m＝1,2，
……
，16；所述区域共包括16个，分别为D1、D2、
……
、D16；当m＝1时，表示区域D1，当m＝2时，表示区域D2，以此类推。
[0023]所述豆荚杆复合材料整体坐标系记为o
c
x
c
y
c
z
c
，其中，坐标系原点o
c
为豆荚杆结构在其厚度方向处于中间位置曲面上的任一点；x
c
轴平行于豆荚杆轴向，且指向豆荚杆的尾部，所述尾部是指豆荚杆与其安装结构的连接端；z
c
轴为豆荚杆在坐标系原点o
c
的法线，指向豆荚杆外侧，所述外侧是指豆荚杆外表面以外、远离豆荚杆内部空腔的一侧；y
c
轴为豆荚杆在坐标系原点o
c
的切线，方向由右手法则确定。
[0024]所述子步骤S3.3中，计算豆荚杆盘绕后各区域在x
c
轴方向的应变的表达式分别为：
[0025][0026][0027][0028][0029][0030]上式中，t
v
、t
e
、t
s
分别表示凸弧段、凹弧段、直线段的厚度，r
d
为卷筒半径，z
c,v
为豆荚杆凸弧段上某一点在豆荚杆复合材料整体坐标系下z
c
坐标，z
c,e
为豆荚杆凹弧段上某一点在豆荚杆复合材料整体坐标系下z
c
坐标，z
c,s
为豆荚杆直线段上某一点在豆荚杆复合材料整体坐标系下z
c
坐标，表示豆荚杆的m区域在盘绕收拢过程中在x
c
轴方向发生的应变，下标m表示对豆荚杆横截面所划分的区域编号，m＝1,2，
……
，16；所述区域共包括16个，分别为D1、D2、
……
、D16；当m＝1时，表示区域D1，当m＝2时，表示区域D2，以此类推。
[0031]进一步的，所述步骤S4中，计算豆荚杆盘绕收拢完成后单个复合材料铺层的应变与应力的表达式分别为：
[0032][0033][0034]上式中，ε1、ε2分别为单层复合材料平行于铺层方向及垂直于铺层方向的应变，表示豆荚杆的m区域在盘绕收拢过程中在x
c
轴与y
c...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，根据豆荚杆的物理特性，建立坐标系并进行所需变量的定义，构建形成豆荚杆结构模型；步骤S2，根据豆荚杆横截面的几何特征，并结合结构的对称性，对所述豆荚杆结构模型进行区域划分；步骤S3，计算豆荚杆各个所述区域在盘绕收拢过程中的应变；步骤S4，根据所述豆荚杆各个所述区域在盘绕收拢过程中的应变，计算豆荚杆在盘绕收拢过程中每个复合材料铺层的应力与应变；步骤S5，根据豆荚在盘绕收拢过程中每个复合材料铺层的应力与应变，计算豆荚杆在收拢状态下的总应变能。2.如权利要求1中所述的一种豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法，其特征在于，所述步骤S1中构建形成豆荚杆结构模型时，还包括给定基本假设，包括：豆荚杆的变形符合直法线假设，且厚度方向变形可以忽略；盘绕收拢过程中豆荚杆不会发生撕裂和开胶行为；在豆荚杆盘绕收拢过程中，不考虑摩擦力以及温度的影响；所述豆荚杆结构模型中所定义的变量包括：豆荚杆长度l、凸弧段半径r
v
、凹弧段半径r
e
、凹弧段圆心角α
e
、凸弧段圆心角的一半α
v
、凸弧段总厚度t
v
、凹弧段总厚度t
e
、直线段总厚度t
s
、直线段长度w以及卷筒半径r
d
。3.如权利要求1中所述的一种豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下子步骤S3.1～S3.3：S3.1，将豆荚杆的盘绕收拢过程分为压扁和盘绕两个子过程；S3.2，将豆荚杆的压扁子过程简化为平面应变问题进行分析，构建豆荚杆在所述压扁子过程中各区域的应变表达式，以计算豆荚杆在所述压扁子过程中各区域的应变；S3.3，基于基尔霍夫薄板理论分析豆荚杆的盘绕子过程，构建豆荚杆在所述盘绕子过程中各区域的应变表达式，以计算豆荚杆在所述盘绕子过程中各区域的应变。4.如权利要求3中所述的一种豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法，其特征在于，所述子步骤S3.2中，计算豆荚杆压扁后各区域在y
c
轴方向的应变的表达式分别为：轴方向的应变的表达式分别为：轴方向的应变的表达式分别为：上式中，z
c,v
为豆荚杆凸弧段上某一点在豆荚杆复合材料整体坐标系下z
c
坐标，z
c,e
为豆荚杆凹弧段上某一点在豆荚杆复合材料整体坐标系下z
c
坐标，r
v
、r
e
分别为豆荚杆凸、凹弧段的半径，表示豆荚杆的区域m在盘绕收拢过程中在y
c
轴方向发生的应变，下标m表示对豆荚杆横截面所划分的区域编号，m＝1,2，
……
，16；所述区域共包括16个，分别为D1、D2、
……
、D16；当m＝1时，表示区域D1，当m＝2时，表示区域D2，以此类推。所述豆荚杆复合材料整体坐标系记为o
c
x
c
y
c
z
c
，其中，坐标系原点o
c
为豆荚杆结构在其厚度方向处于中间位置曲面上的任一点；x
c
轴平行于豆荚杆轴向，且指向豆荚杆的尾部，所
述尾部是指豆荚杆与其安装结构的连接端；z
c
轴为豆荚杆在坐标系原点o
c
的法线，指向豆荚杆...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛少川，李东旭，朱仕尧，刘望，周利霖，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：