【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆，属于航空航天。
技术介绍
1、可展薄膜机构在航空航天领域中得到广泛关注与研究，常用于太空探测器、卫星或其他航空航天器中，通常由薄膜材料制成，可以在太空中展开或折叠。这种机构通常用于实现太空器的姿态控制、能源收集、天线展开和其他任务。可展薄膜机构的主要特点是在发射或部署后能够展开，以满足太空任务的需求，而在折叠状态下则占用较少的空间。这种机构的设计需要考虑材料、结构、部署机制等多个因素，以确保可靠性和性能。复合材料的可展开机构在航空航天领域中相比于其他材料结构由于具有重量轻，刚度较大，具有较好的收拢效果，展开过程迅速可靠，具有良好的应用前景。
2、目前的复合材料弹性杆是一种用于可展薄膜机构的支撑体系构件，其收拢和展开过程均发生弹性变形，首先通过施加外力使复合材料弹性杆收拢变形，需要展开时再利用收拢变形时储存的弹性应变能完成展开变形过程，进而恢复至初始构型，同时具有多项特点，包括轻质、收展原理简单、收纳率高、可重复性强和精度高。使其常用于太阳帆、空间薄膜天线阵面等可收展的航天器中。
3、目前国内航空航天领域中用于可展薄膜机构中的复合材料弹性杆的主要是复合材料豆荚杆，其通常采用碳纤维树脂基复合材料制作而成，这种复合材料豆荚杆的横截面呈左右对称，其轮廓由中间凸弧、两侧凹弧和水平边的一半组成，与之相对应的是复合材料豆荚杆的中间凸壳、两侧凹壳和胶接面三个部分，换而言之,其横截面形状就是上下对称的“ω”形。
4、通常国内使用的复合材料豆荚杆的横截面尺寸设计
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了解决现有可展开结构的支撑部件的材料横截面形状尺寸较为复杂，设计复杂，且通常使用的尺寸较大，进而限制了其适用范围的问题，本专利技术提供一种用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆；复合材料弹性杆横截面形状采用类“人”字形的左右对称结构，并选用多种复合材料：碳纤维单向带和玻璃纤维正交织物，所述复合材料铺层方式为0°碳纤维单向带；两侧依次对称铺设90°碳纤维单向带，和±45°玻璃纤维织物。通过设计简单的复合材料弹性杆的横截面尺寸，采用多种复合材料，同时设计复合材料之间的铺层方式以提高复合材料弹性杆的刚性及力学性能，同时针对特定尺寸的复合材料弹性杆的设计对应的模具用于制备复合材料弹性杆，并针对其开发对应的高效制备工艺，以提高制备效率，减少制备时间和成本。因此本专利技术对于航空航天领域有着非常好的工程应用价值。
2、本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
3、一种用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆，其横截面形状采用类“人”字形的左右对称结构；复合材料由碳纤维单向带和正交的玻璃纤维织物构成；
4、所述复合材料的铺层方式为中心是0°碳纤维单向带；两侧依次对称铺设90°碳纤维单向带和±45°玻璃纤维织物；
5、所述“人”字形的下方两凹弧形对称，需保证上方直线与两凹弧相切；
6、所述复合材料弹性杆的类“人”字形下方凹弧的半径，开口角度与上方相切直线的长度三者的关系通过下述方法得到：
7、步骤一：根据复合材料弹性杆的材料属性和复合材料的铺层方式，得到复合材料层合板的拉伸刚度矩阵a。
8、
9、
10、
11、步骤二：由公式(3)得到
12、e1为复合材料单层板沿着纤维方向的杨氏模量；e2为复合材料单层板垂直于纤维方向的杨氏模量；v12为复合材料单层板沿着纤维方向的泊松比；v21为复合材料单层板沿着纤维方向的泊松比；g12为复合材料单层板的面内剪切模量；
13、n为复合材料层合板的铺层数；θ为复合材料单层板的铺层角度；
14、zk，zk-1为复合材料层合板第k层与第k-1层沿着z方向的坐标；
15、zk-zk-1为单层复合材料的铺层厚度；为复合材料层合板主方向的刚度矩阵；
16、p为复合材料与主方向有着铺层角度θ的旋转矩阵；a为复合材料层合板的拉伸刚度矩阵；
17、步骤三：计算复合材料弹性杆横截面的质心位置：如下述公式(4)和图2所示。
18、
19、(xc,yc)为复合材料弹性杆的横截面形状质心位置坐标；
20、w为复合材料弹性杆横截面的相切直线长度；r为复合材料弹性杆横截面凹弧的半径；θf为复合材料弹性杆横截面凹弧的开口角度；
21、步骤四：复合材料弹性杆的x，y轴的截面惯性矩：由下述公式(5)和(6)所示：
22、
23、
24、mx为复合材料弹性杆的x轴方向的截面惯性矩；my为复合材料弹性杆的y轴方向的截面惯性矩；(ei)x为复合材料弹性杆x轴方向的弯曲刚度；(ei)y为复合材料弹性杆y轴方向的弯曲刚度；ρ为中性层的曲率半径；a11，a12，a22分别为复合材料弹性杆的拉伸刚度矩阵a中的元素；
25、步骤五：由公式(5)和(6)计算复合材料弹性杆弯曲刚度与其横截面尺寸的关系：
26、
27、
28、t为复合材料弹性杆的凹弧的厚度，t1为复合材料弹性杆的相切直线的厚度；由复合材料的铺层方式可得
29、按上述步骤和图8所示，若根据实际需求给定复合材料弹性杆的弯曲刚度(ei)x和(ei)y，然后由公式(7)和(8)可得到复合材料弹性杆的类“人”字形下方凹弧的半径r，开口角度θf与上方相切直线的长度w三者的尺寸关系。
30、所述复合材料弹性杆的制备流程包括以下步骤：
31、步骤一、制作碳纤维单向带和玻璃纤维正交织物的多层预浸料，铺在带有脱模布的两个凸弧形模具上，并逐层刷上环氧树脂粘接剂。
32、步骤二、然后将尖角模具放置于两个凸弧形模具上方，再将整体模具压紧并固定，随后放入真空袋中抽真空，然后再放入烘箱里面进行升温固化。
33、步骤三、固化完成后取出成型的复合材料弹性杆，然后用裁纸刀裁切掉其多余的弧线段和直线段部分，从而获得所需尺寸的用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆。
34、该专利技术主要包括用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆的设计及该复合材料弹性杆的制备方法；
35、所述用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆中采用的复合材料由增强材料和基体材料组成。增强材料为正交的玻璃纤维织物和碳纤维t700单向带，基体材料采用的是环氧树脂，其横截面形状为左右对称的，其横截面的轮廓线为类“人”字型，即由上方相切直线1，两侧凹弧2组成。
36、该专利技术的用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆左右对称，根据使本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆，其特征在于：复合材料弹性杆横截面形状采用类“人”字形的左右对称结构；复合材料由碳纤维单向带和玻璃纤维正交织物构成。
2.如权利要求1所述一种用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆，其特征在于：所述复合材料铺层方式为中心是0°碳纤维单向带；两侧依次对称铺设90°碳纤维单向带和±45°玻璃纤维正交织物。
3.如权利要求1所述一种用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆，其特征在于：所述类“人”字形的下方两凹弧形对称，需保证上方直线与两凹弧相切。
4.如权利要求1或3所述一种用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆，其特征在于：复合材料弹性杆的类“人”字形下方凹弧的半径，开口角度与上方相切直线的长度三者的关系通过下述方法得到：
5.如权利要求1或2所述一种用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆，其特征在于：所述复合材料弹性杆的制备流程包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆，其特征在于：复合材料弹性杆横截面形状采用类“人”字形的左右对称结构；复合材料由碳纤维单向带和玻璃纤维正交织物构成。
2.如权利要求1所述一种用于可展薄膜机构的复合材料弹性杆，其特征在于：所述复合材料铺层方式为中心是0°碳纤维单向带；两侧依次对称铺设90°碳纤维单向带和±45°玻璃纤维正交织物。
3.如权利要求1所述一种用于可展薄膜机构的复合...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗凯，刘宇曦，王严聪，葛鑫洋，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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