一种复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋及其设计方法技术

本发明专利技术提供了一种复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋及其设计方法，揭示了腰高对薄壁柔性肋稳定性的影响机制，针对高精度、高收纳比空间可展开缠绕肋天线的实际需求，提出的一种适用于空间可展开结构的薄壁柔性肋，其使用复合材料制作而成，截面形状为豆荚形，可具体称为复合材料薄壁豆荚截面柔性肋(Composite Thin

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋及其设计方法


[0001]本专利技术涉及薄壁柔性肋设计
，尤其涉及一种复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋及其设计方法。

技术介绍

[0002]空间可展开缠绕肋天线(Space Deployable Wrap
‑
rib Antenna)，由美国最早在20世纪60年代启动了此类天线的研究(Woods JrAA,Wade W D.An approach towardthe design of large diameter offset
‑
fed antennas[C]//NASA Conference on Advanced Technologyfor Future Space Systems.1979:475.)。空间可展开缠绕肋天线由于具有极高收纳比、结构简单、质量轻的特点，被认为是一种理想的大型空间可展开天线结构。其主要由若干薄壁柔性肋、中心毂、网面以及中心馈源系统组成，如图1
‑
2所示。作为最关键的承力部件，柔性肋沿中心毂安装，在天线收拢时各柔性肋紧沿一个方向缠绕在中心毂上并采用锁紧机构进行约束，当天线入轨后锁紧机构解锁释放，各条柔性肋依靠自身的弹性势能向外展开至工作状态，支撑和保持反射面的抛物型面，同时馈源系统可竖直向上展开至焦点位置。整个天线系统展开快速且无需外部能源。
[0003]《可展开缠绕肋组件》，(CN 110313106 A)，该专利介绍了公开了一种可展开缠绕肋组件，其包括毂、多个肋以及连接在肋之间的片材，每个肋以固定角度连接到毂，使得每个肋相对于毂的周缘倾斜，多个肋中的每一个能够在收起构造中缠绕在毂周围并且构造为在展开构造中从毂的周缘伸展。在展开构造中，片材在肋之间保持拉紧。肋可以具有透镜状横截面，和/或可以相对于毂的外表面成角度地附接到毂。该专利主要关注于缠绕肋天线整体设计，并未针对其中薄壁柔性肋部件进行详细设计。
[0004]《高收纳比缠绕肋式可展开天线结构》，(CN 108767418 B)，该专利介绍了一种高收纳比缠绕肋式可展开天线结构，包括：安装底座；中心体；可伸缩馈源；多块弹性缠绕肋；金属网面；锁紧组件；释放组件；以及外接电源。该专利技术利用弹性缠绕肋张拉金属网面形成抛物反射面，能够提供超高的收纳比、展开可靠性并有足够的型面精度等。该专利同样主要关注于缠绕肋天线整体设计，并未针对其中薄壁柔性肋部件进行详细设计，同时所采用的薄壁柔性肋截面形状为C字型。
[0005]《Triangular Rollable and Collapsible Boom》，(US 7895795 B1)，该专利提出了一种使用复合材料或弹性金属材料研制的“人”字型截面(TRAC)柔性杆件，并可以收拢于中心毂。该专利中对包括豆荚型截面在内的3种柔性杆件进行了对比，然而未对相同质量情况下3种杆件的性能进行对比，仅考虑了压扁后的高度相同。
[0006]经过整理可以发现，目前薄壁柔性肋截面有诸多构型，如图3所示。
[0007]其中TRAC杆件目前已被使用于多种航天器设计中，特别是在NASA的NanoSail
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D及行星协会(PlanetarySociety)的LightSail
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A两款太阳帆中有的良好表现。一些学者通过长期研究，揭示了TRAC杆的经典线性屈曲分析和非线性屈曲分析之间的细微差异，即线性屈曲可能会对临界荷载给出偏差估计。
[0008]此外，通过相关检索研究进展分析，可以看到比起其他类型的空间可展开网面式天线，目前空间可展开缠绕肋天线在国内外特别是我国所受到的研究较少。究其原因，是此类天线对自身结构变形中的柔性和稳定性，制作材料在长期存储中的稳定性，无源展开过程不可控性等方面有着极高要求。

技术实现思路

[0009]为了克服上述技术缺陷，本专利技术的目的在于提供一种稳定性更高、质量更轻、展开恢复精度更高、适用于空间可展开天线的复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋。
[0010]本专利技术公开了复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋，所述薄壁豆荚截面柔性肋的截面为豆荚型，所述豆荚形包括腰高和腹板，所述豆荚形的厚度一致部分为所述腰高，所述豆荚形的厚度为零部分为所述腹板；所述豆荚形为圆弧形；所述腰高L的取值范围为m1
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m2(m1≥0)，所述腹板w的取值范围为n1
‑
n2(n1>0)。
[0011]优选的，所述腰高L的取值为(m1+m2)/2，所述腹板w的取值为n1。
[0012]优选的，所述豆荚形为抛物线形；所述抛物线形中的每个抛物线弧段的抛物线函数为y＝ax2；其中，a为抛物线系数；所述抛物线形中的每个抛物线弧段的弧长为0≤x≤x0；所述抛物线形截面在扁平状态下的压平长度为；s＝2w+L+4L
p
；将所述腰高L的取值为(m1+m2)/2，所述腹板w的取值为n1，a的取值范围为a1
‑
a2，其中，a取值越大，则所述薄壁豆荚截面柔性肋沿x
‑
轴的抗弯曲性能越好，则所述薄壁豆荚截面柔性肋沿y
‑
轴的抗弯曲性能会越差。
[0013]优选的，a取值为a2。
[0014]本专利技术还公开了一种复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋的设计方法，用于设计上述的复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋，包括如下步骤：令腹板w在n1
‑
n2(n1>0)之间变化，腰高L在m1
‑
m2(m1≥0)之间变化，由此确定第一集合的多种不同的截面形状；对所述第一集合的多种不同的截面形状进行非线性屈曲计算；所述非线性屈曲计算包括弯矩绕x
‑
轴加载下的屈曲前刚度Kx热力分布计算、弯矩绕y
‑
轴加载下的屈曲前刚度Ky热力分布计算、弯矩绕x
‑
轴加载下的非线性临界荷载(NLCL)x热力分布计算、弯矩绕y
‑
轴加载下的非线性临界荷载(NLCL)y热力分布计算；获取所述非线性屈曲计算中呈正向增加的计算项最多的所述第一集合的多种不同的截面形状中的若干截面形状，令所述若干截面形状为第一选截面形状集；所述第一选截面形状集中，腹板w取值为n1。
[0015]优选的，所述腹板w取值为n1之后，还包括：令腹板w固定取值n1，腰高L在m1
‑
m2(m1≥0)之间变化，由此确定第二集合的多种不同的截面形状；对所述第二集合的多种不同的截面形状进行非线性屈曲计算；所述非线性屈曲计算包括弯矩绕x
‑
轴加载下的屈曲前刚度Kx热力分布计算、弯矩绕y
‑
轴加载下的屈曲前刚度Ky热力分布计算、弯矩绕x
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轴加载下的非线性临界荷载(NLCL)x热力分布计算、弯矩绕y
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轴加载下的非线性临界荷载(NLCL)y热力分布计算；获得信息：随着腰高L取值的增加，绕x
‑
轴的抗弯曲性能逐步降低，绕y
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋，其特征在于，所述薄壁豆荚截面柔性肋的截面为豆荚型，所述豆荚形包括腰高和腹板，所述豆荚形的厚度一致部分为所述腰高，所述豆荚形的厚度为零部分为所述腹板；所述豆荚形为圆弧形；所述腰高L的取值范围为m1
‑
m2(m1≥0)，所述腹板w的取值范围为n1
‑
n2(n1>0)。2.根据权利要求1所述的复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋，其特征在于，所述腰高L的取值为(m1+m2)/2，所述腹板w的取值为n1。3.根据权利要求1所述的复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋，其特征在于，所述豆荚形为抛物线形；所述抛物线形中的每个抛物线弧段的抛物线函数为y＝ax2；其中，a为抛物线系数；所述抛物线形中的每个抛物线弧段的弧长为所述抛物线形截面在扁平状态下的压平长度为；s＝2w+L+4L
p
；将所述腰高L的取值为(m1+m2)/2，所述腹板w的取值为n1，a的取值范围为a1
‑
a2，其中，a取值越大，则所述薄壁豆荚截面柔性肋沿x
‑
轴的抗弯曲性能越好，则所述薄壁豆荚截面柔性肋沿y
‑
轴的抗弯曲性能会越差。4.根据权利要求3所述的复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋，其特征在于，a取值为a2。5.一种复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋的设计方法，用于设计上述权利要求1
‑
2任一所述的复合材料的薄壁豆荚截面柔性肋，其特征在于，包括如下步骤：令腹板w在n1
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n2(n1>0)之间变化，腰高L在m1
‑
m2(m1≥0)之间变化，由此确定第一集合的多种不同的截面形状；对所述第一集合的多种不同的截面形状进行非线性屈曲计算；所述非线性屈曲计算包括弯矩绕x
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轴加载下的屈曲前刚度Kx热力分布计算、弯矩绕y
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轴加载下的屈曲前刚度Ky热力分布计算、弯矩绕x
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轴加载下的非线性临界荷载(NLCL)x热力分布计算、弯矩绕y
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轴加载下的非线性临界荷载(NLCL)y热力分布计算；获取所述非线性屈曲计算中呈正向增加的计算项最多的所述第一集合的多种不同的截面形状中的若干截面形状，令所述若干截面形状为第一选截面形状集；所述第一选截面形状集中，腹板w取值为n1。6.根据权利要求5所述的薄壁豆荚截面柔性肋的设计方法，其特征在于，所述腹板w取值为n1之后，还包括：令腹板w固定取值n1，腰高L在m1
‑
m2(m1≥0)之间变化，由此确定第二集合的多种不同的截面形状；对所述第二集合的多种不同的截面形状进行非线性屈曲计算；所述非线性屈曲计算包括弯矩绕x
‑
轴加载下的屈曲前刚度Kx热力分布计算、弯矩绕y
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轴加载下的屈曲前刚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：安宁，贾启龙，
申请(专利权)人：上海鉴创科技有限公司，
类型：发明
国别省市：