载人月球车柔性太阳翼设计与分析

为满足载人月球车关于太阳翼的高刚度、可重复收展和轻量化的性能要求,在国内外星球车太阳翼、柔性太阳翼研究的基础上,提出了一种基于连杆机构的柔性太阳翼展开机构总体方案,根据能量守恒原理对太阳翼进行了展开运动学分析。将太阳翼结构简化为张拉索-梁模型,建立了柔性阵面和太阳翼的结构动力学分析模型,基于刚度需求对太阳翼结构进行轻量化优化设计,并通过ABAQUS有限元模型验证了结构优化设计的可行性和合理性。结果表明:太阳翼在涡卷弹簧驱动下展开到位时存在一定的冲击,但是对阵面影响较小。该张拉膜结构等效结构动力学模型可用于柔性太阳翼结构的快速迭代和优化设计,并实现柔性太阳翼支撑结构刚度和阵面张力的高效匹配。

大尺寸天线在轨组装测量方案的设计与评价

针对在轨组装测量场景需求,提出了基于摄影测量与激光雷达扫描测量组合的测量方案设计与测量不确定度分析方法。对大尺寸结构型面几何测量的仪器和方法进行探讨,确定了在轨组装天线型面精度测量的总体方案,建立了摄影测量与激光雷达扫描测量组合的测量不确定度分析计算模型;对在轨组装天线型面精度测量的多测站布局方案进行评价,并对测量不确定度受到的影响进行了分析,为大尺寸天线在轨组装测量方案的设计、评价与方案优化提供了依据。

含碳纳米管、石墨烯的PTFE基复合材料摩擦磨损性能

对碳纳米管和石墨烯进行了表面羧基、氨基接枝改性,并制备了碳纳米管/聚四氟乙烯和石墨烯/聚四氟乙烯复合材料。利用表面官能团的供电性和聚四氟乙烯表面氟的强电负性的诱导效应,改善了纳米增强体在基体中的分散性,并实现了纳米增强体/基体界面的强化。复合材料摩擦磨损性能研究结果显示,两类碳系纳米增强体中,均为经过氨基化接枝改性者对复合材料摩擦磨损性能的改善效果最优,而未经改性的增强体最差。两种复合材料均为增强体含量为1%(质量分数)时磨损率最低。碳纳米管在PTFE基体中可有效承载,避免基体在载荷剪切下形成的微观撕裂,使得复合材料的磨损率明显降低,最大降幅为69.6%;石墨烯除具有承载功能外,还可以有效地形成转移膜,降低复合材料摩擦系数,复合材料磨损率的降幅更高达73.9%。

聚酰亚胺/SiO_2纳米复合抗原子氧气凝胶的合成与性能

以3,3′,4,4′-联苯四酸二酐（sBPDA）和2,2′-二甲基-4,4′-二氨基联苯胺（DMBZ）为聚合单体,八（氨基苯基）聚倍半硅氧烷（OAPS）为交联剂,SiO2纳米粒子为填料,采用超临界二氧化碳干燥工艺制备了一系列聚酰亚胺（PI）/SiO2纳米复合气凝胶（CPIA-SiO2-0~CPIA-SiO2-7）。研究表明：SiO2纳米粒子的引入对PI气凝胶的耐热性能未产生显著的影响。然而,随着SiO2纳米粒子含量的增加,PI气凝胶的孔隙率从89.6%逐渐降低至79.4%,BET表面积也随之从425.5m2/g降低至380.2m2/g,纳米泡孔孔径分布呈现出变宽的趋势。SiO2的引入显著提高了PI气凝胶的抗原子氧侵蚀能力,含量为7%（质量分数,下同）的PI/SiO2复合气凝胶CPIA-SiO2-7的原子氧侵蚀率（2.6%）仅为不含SiO2气凝胶CPIA-SiO2-0的原子氧侵蚀率（12.3%）的1/5左右。

特种聚酰亚胺薄膜制备技术新进展

介绍了特种聚酰亚胺树脂的结构设计与合成,综述了国内外近年来在特种聚酰亚胺薄膜制造技术方面的最新进展。重点介绍了可溶性聚酰亚胺树脂的基础研究与产业化进展状况以及采用可溶性聚酰亚胺树脂制备特种聚酰亚胺薄膜的进展情况,并展望了该技术未来的发展趋势及需要解决的关键技术。

对角伸展太阳帆结构及膜面应力导入分析

为研究膜面应力导入方式及应力大小对太阳帆结构的影响,进行了有限元模拟分析.首先,阐述了此类太阳帆导入膜面应力的必要性及其合理范围,并介绍了膜面应力导入的3种方式;其次,利用有限元软件ABAQUS,以欧洲航天局和德国宇航中心研制的20 m×20 m太阳帆为目标建立模型,然后采用静力法并考虑非线性的影响,分别对3种方式导入膜面应力的太阳帆进行结构分析,模拟太阳帆完全展开时在光压作用下膜面的变形和支撑结构的静力响应,获得膜面应力与豆荚杆轴压之间的关系,确定了膜面应力的合理范围;最后,对比分析了不同导入方式对膜面应力分布以及不同膜面应力对帆面形态和结构刚度的影响.结果表明:不同的应力导入方式,太阳帆膜面角落处均会出现应力集中,但膜面褶皱分布不同;膜面导入应力越大,基频越大,同时利于结构整体运动的控制.

透镜式薄壁CFRP管压扁力分析

针对透镜式薄壁纤维增强聚合物(CFRP)管伸展臂在截面设计中需确定压扁力的问题,选取两种不同截面、长度、铺层和材料参数的薄壁CFRP管,通过试验和数值模拟分析其压扁过程中的压扁力和截面变化特征。压扁过程中,假设截面不存在局部接触变形,且是线性等曲率变化,建立压扁力近似算法1;假设给出截面局部接触变形函数,建立压扁力近似算法2。综合试验、数值模拟与两种近似算法的结果,发现压扁过程中压扁力与截面变形均表现出较强的非线性特性,可用近似算法2估算压扁力。

耐高温柔性PI气凝胶的合成与性能

以3,3’,4,4’-联苯四酸二酐(BPDA)和含咪唑环的芳香族二胺,2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑(4-APBI)或2-(3-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑(3-APBI)为聚合单体,以八(氨基苯基)聚倍半硅氧烷(OAPS)为交联剂,采用超临界CO2干燥工艺制备了两种PI气凝胶,PIA-1(BPDA/4-APBI/OAPS)与PIA-2(BPDA/3-APBI/OAPS)。研究表明,制备的PI气凝胶具有纳米串珠状的微观结构,其泡孔最可几孔径分别为22nm(PIA-1)与14 nm(PIA-2)。PIA-1与PIA-2的密度分别为0.105和0.080 g/cm3,BET表面积分别为693和302 m2/g。此外,制备的PI气凝胶具有良好的柔韧性与耐热稳定性,T g超过了350℃,T5d超过了530℃。

单层编织增强复合材料力学特性计算

单层编织增强复合材料具有优异的比强度、比刚度和变形特性,逐渐被应用于空间可展结构。其一般采用薄壳形式,应用基于均匀化ABD刚度矩阵的壳体理论可提高结构计算效率。对于非对称编织增强物,如按经典复合材料理论计算,中性面偏移会导致不准确的耦合效应。本文提出了一种基于单胞模型的多尺度方法,通过确定中性面并施加周期边界条件,计算任意单层编织复合材料的ABD刚度矩阵和模量值。对比试验验证了方法的准确性,预测了平纹、破斜纹1/3、斜纹1/3编织增强复合材料刚度及模量随编织密度的变化趋势,给出了单胞的合理应变分布。

热循环、真空紫外辐照对Al/Kapton薄膜的损伤效应

在空间环境地面模拟设备中模拟热循环、真空紫外辐照等低地球轨道空间环境对Al/Kapton薄膜的损伤效应.利用原子力显微镜、紫外可见分光光度计对试验前后试样的表面形貌、光学参数等性能进行了分析.结果表明,热循环、真空紫外辐照使Al/Kapton薄膜试样产生质量损失,表面形貌发生不同程度的改变,在紫外可见波段的反射率下降明显.

复合材料编织带平面承力层结构有限元模型

为准确地对编织式复合材料编织带所构成的承力层进行仿真模拟,基于编织带的力学特点,建立了薄膜单元与混合单元2种具有不同承力性能的编织带壳单元接触模型,以模拟平面柔性编织带承力层的应力与变形,对比分析了在常规压力载荷作用下,有限元模型选择对承力层应力与变形的影响。结果表明,相互交错布置的编织带承力层,在局部均匀压力载荷作用下,因相互之间的接触而使编织带呈现特殊的力学特性;承力层有限元模型只考虑薄膜应力会过高估计编织带的承载能力,混合单元有限元模型可更真实地模拟编织带承力层结构的力学特性。

航天器可展开支撑杆的研制及其收拢展开特性研究

复合材料豆荚杆是一种质量轻、刚度较大、收拢效率高、展开过程可靠的可展开管状杆结构。本工作对豆荚杆进行优化设计,并对多种豆荚杆试件进行性能测试与评估,选取其中综合性能优异的材料体系研制了2m长豆荚杆样机。利用研制的豆荚杆收展控制机构对豆荚杆的收拢-展开性能进行了测试,结果显示玻璃布/FEB豆荚杆可实现多次收拢-展开,其综合性能可基本满足空间可展开结构的性能需求。

织物复合材料空间可展桁架模态试验与分析

航天器正朝着大型化、轻量化和模块化的方向发展。由织物复合材料制成的空间可展桁架结构,作为航天器的组成结构有广泛的应用前景。以一个由织物复合材料制成的空间可展桁架结构为研究对象,开展了微重力环境下的模态试验和仿真分析。结构主要由空心圆管、三角形隔板和斜加劲索组成。模态试验采用气动-电磁悬挂系统实现结构重力卸载,模拟微重力环境。仿真分析中,空心圆管由织物复合材料构成,假设为正交各向异性材料结构;三角形隔板由铺层复合材料构成,假设为各向同性材料结构;考虑斜加劲索的预应力对结构刚度及斜加劲索自身有效弹性模量的影响。最终得到的仿真结果与试验对应关系良好,对大型预应力空间可展桁架研究具有参考价值。

星载大型可展桁架式薄膜结构在轨热分布特性研究

为满足高清晰、宽幅成像等任务的需求,高分辨率卫星需要带有尺度大、形面精度高的对地观测天线。本文基于控制体积法提出空间环境下热分析的理论,建立了桁架式薄膜结构的温度场分析模型,分析同步轨道下时变空间热流分布和温度场,探讨地球阴影和自阴影对结构温度场的影响。本文提出的分析方法提供了一种预测空间结构温度场的途径,并为结构热控制设计奠定了基础。

环氧形状记忆聚合物的热力学性能试验研究

针对目前关于形状记忆聚合物热力学性能研究不足,本文对一种新研制的环氧形状记忆聚合物开展了三类热力学试验。首先进行了SMP拉伸、弯曲、扭转形变下的形状记忆自由回复试验,测定了形状记忆固定率与回复率,均可达到99. 4%以上;采用热分析仪测定了材料-50℃～100℃的热膨胀应变随温度的关系,其值呈近似双线性,在玻璃转换点前后分别为4. 8×10^(-5)℃和2. 76×10^(-4)℃;最后进行了不同温度时的拉伸应力松弛试验及其不同加载速率拉伸试验,结果表明:在玻璃化转变温度附近,材料弹性模量与应力松弛现象发生明显的改变,形状记忆聚合物具有较强的时温相关非线性粘弹塑性力学行为特征。

空间薄壁CFRP豆荚杆悬臂屈曲分析及试验

空间薄壁CFRP豆荚杆工作时处于悬臂状态,为掌握其悬臂受力性能,分别以截面2个对称轴为中性轴对豆荚杆悬臂梁进行末端加载试验,得到了屈曲荷载及屈曲特性.利用ABAQUS进行线性特征值屈曲分析,并引入特征值屈曲模态作为初始几何缺陷进行非线性屈曲模拟,得到豆荚杆悬臂梁屈曲临界载荷及非线性屈曲特性.与试验结果进行对比分析表明:初始几何缺陷对豆荚杆悬臂梁屈曲临界载荷影响显著,给理想豆荚杆植入适当的初始几何缺陷可有效模拟实际豆荚杆屈曲.基于试验和模拟分析,进一步对豆荚杆壁厚、铺层和杆件长细比进行参数分析,得到各参数对豆荚杆悬臂梁屈曲临界载荷的影响,对悬臂薄壁CFRP豆荚杆的设计和应用具有重要参考价值.

Kapton薄膜折叠力学行为分析与试验

基于线弹性工程理论对S型折叠模型进行了研究,推导得到相邻接触薄膜反弹力与薄膜间距的关系式.利用ABAQUS,采用隐式静力法对薄膜折叠过程进行了数值模拟.采用连续加载和分级加载对50和125μm薄膜进行弹性返复与弹塑性返复折叠试验,测得了薄膜反弹力与薄膜间距的关系曲线和薄膜折叠间距的蠕变量.通过单轴拉伸试验测得薄膜应力应变曲线及其力学参数,并应用于模型的理论分析和数值模拟分析.3种方法所得的薄膜反弹力与薄膜间距的关系曲线具有较好的一致性,表明了一维近似理论的合理性和数值模拟的有效性.

基于广义Maxwell模型的形状记忆聚合物力学本构

为揭示形状记忆效应的黏弹性力学机制并进行形状记忆过程模拟,先推导出积分形式的广义Maxwell本构方程,再结合时温叠加原理推导出形状记忆过程的形状固定率公式及应力应变演化方程.形状固定率公式显示:增大"固定约束时长/拉伸阶段时长"的比值可增大形状固定率.应变演化方程揭示:随温度降低偏移系数变小,释放约束后应变演化方程中的时间被缩减,使应变恢复速度趋近于0;随温度升高偏移系数变大,对时间的缩减效应减弱,应变发生恢复.应用Abaqus软件的黏弹性力学模型,基于Arrhenius方程和Williams-Landel-Ferry(WLF)方程,通过二次开发建立形状记忆聚合物结构分析的数值模拟方法.采用环氧基形状记忆聚合物进行拉伸-松弛实验测定数值模拟中需要输入的材料参数,并进行形状记忆过程实验和数值模拟.结果表明,所提数值模拟方法能有效描述形状记忆过程,且针对实验所用的环氧基形状记忆聚合物,Arrhenius方程较WLF方程具有更高的计算精度.

热致形状记忆聚合物的形状记忆机理与性能研究进展

主要分析了热致形状记忆聚合物聚集态结构与形状记忆性能之间的关系(聚合物的聚集态结构大致可以分为3种:可逆相和固定相均为不定形结构;可逆相为不定形结构,固定相为结晶结构;可逆相为结晶结构,固定相为不定形结构)。总结了聚集态结构对转变温度、存储模量、形状固定率/回复率、回复应力和回复速率等的影响。

透镜式薄壁管状空间伸展臂压扁拉扁数值模拟与试验

薄壁管状空间伸展臂是一类基本空间展开折叠结构,具有广泛的应用和研究价值.首先分析了透镜型薄壁管压扁和拉扁机理,给出压扁、拉扁过程数值分析方法,分析了拉扁和压扁过程应力、应变和载荷-位移变化规律,进行了薄壁管拉扁和压扁过程试验,对比分析试验测试结果与计算分析结果,验证模拟分析方法,证明拉扁和压扁为大位移小应变过程.同时,拉扁和压扁过程中薄壁管段应力、应变及载荷-位移都有相似变化规律,反映了薄壁管段的相似特性.