形状记忆聚合物复合材料及其在空间可展开结构中的应用

综述了形状记忆聚合物复合材料及其在空间可展开结构中的应用。形状记忆聚合物是一种智能主动变形的高分子材料,该材料在外界激励作用下能够产生较大的可回复变形,可应用于智能主动变形结构。首先简述了形状记忆聚合物的研究现状,然后分别介绍了颗粒、短纤维和连续纤维增强的形状记忆聚合物复合材料的研究现状,并重点评述了三种复合材料的电-热致驱动变形性能。此外,本文还介绍了纤维增强形状记忆复合材料在空间可展开结构上的应用,主要包括可展开铰链、可伸缩梁和可展开天线等。

纤维增强形状记忆聚合物复合材料在空间可展开结构中的应用

当前,不同国家对于智能材料的结构研究,都着重于形状记忆聚合物材料方面。由于形状记忆聚合物复合材料,有着较为良好的热塑性、热固性特征,其在桁架、悬臂梁等大型空间结构中得到广泛应用。该文主要探讨纤维增强的形状记忆聚合物复合材料,在空间可展开结构中的应用,通过对复合材料玻璃化转变温度Tg的控制,可以满足多种可展开结构的使用需求。

空间可展开结构区间模型修正方法

传统的模型修正未考虑工程中存在的几何尺寸、材料参数、间隙等不确定性,修正后有限元模型预测精度较低。为提高有限元模型的预测精度,准确预测结构的静动力学特性,对考虑参数不确定性的模型修正进行了研究,提出了一种基于Kriging模型和泛灰数的区间模型修正方法。首先,通过灵敏度分析确定待修正参数,并以修正参数为变量,构造基于Kriging模型的区间响应目标函数;其次,引入泛灰数将区间优化问题转换为区间上限和区间直径两个全局优化问题;然后,利用Kriging模型结合遗传算法给出修正后的参数区间形式;最后,通过该方法对含铰链间隙的某空间可展开结构进行了模型修正。结果表明,修正后参数区间与真实区间重合度较高,修正后结构响应预测区间与实际区间吻合,验证了方法的有效性,为大型空间可展开结构的模型修正提供了一个有效可行的途径。

空间可展开结构静力多稳态分析

受装配与展开需求的影响,空间可展开结构的铰链中普遍存在着间隙。空间可展开结构展开到位锁死后,由于铰间隙的存在,可展开结构在外载作用下的静力平衡位置不唯一,即存在静力多稳态现象。为了揭示静力多稳态现象的内在机理,以某伞状可展开天线为研究对象,利用无质量杆间隙模型对含间隙可展开结构进行静力学建模。分析了间隙尺寸、摩擦因数与杆长配置等对含间隙可展开结构静力平衡位置的影响规律。分析结果表明,间隙与摩擦是静力多稳态现象产生的原因;间隙尺寸越大,摩擦因数越大,含间隙可展开结构在特定外力下的静力平衡位置越多;不同位置的间隙与摩擦因数对静力多稳态现象的影响程度不同;杆长配置影响静力多稳态现象;通过施加合适的预紧力,可有效控制静力多稳态现象。

Clustered张拉整体结构的动力学建模

针对clustered张拉整体结构,提出了一种基于任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)法的多体动力学模型。相较于传统的拉格朗日法模型,该研究中的模型具有更为简单的运动学约束。首先,引入了一种ALE时变长度索单元,其网格节点与物质点可以独立运动,提供了一种自然的方式描述结构中运动的滑轮和滑动绳索;其次,利用达朗贝尔原理,推导了该单元的广义力向量并计算了相应的雅可比矩阵;然后,建立了张拉整体系统的动力学方程,并利用广义α算法对其进行求解,选取节点的全局位置坐标和物质坐标作为广义坐标,其中全局位置坐标可以被不同物体共享,以减少动力学方程的自由度数和消除物体间的约束;最后,展示了一个数值算例,10层可折叠张拉整体塔架,对其折叠过程进行了准静态和动力学仿真,验证了模型的有效性。所提出的模型和算法可为clustered张拉整体结构的设计提供理论指导,具有工程意义。

可展开折叠式空间结构模型试验研究

本文对可展开折叠式空间结构进行了试验与理论研究。设计出一种满足特殊要求的优化节点，成功地进行了２ｍ×２ｍ模型静力试验。所提出的分析方法。

形状记忆聚合物复合材料在空间可展结构中的应用研究

传统的机械式可展开结构往往存在机械结构较复杂、质量较大、展开过程易产生振动的缺点,而形状记忆聚合物复合材料具有低成本、低密度、比强度大,展开过程平缓,振动小的特点,这些特点使其成为解决空间可展开结构现在面临问题的一种可能手段。介绍了基于形状记忆聚合物复合材料的空间可展开结构的发展近况,其结构简单、振动小等特点有望使其在未来的航天领域得到更多的应用。

空间充气硬化管成型工艺研究

充气硬化管是一种最基本的空间可展开结构,本文以7 m长的充气硬化管为研究对象,分析充气硬化管的结构特点和技术要求,通过对管壁材料、胶接方案、胶接工装、胶粘剂等成型工艺中的主要影响因素分别进行研究,摸索出一整套充气硬化管成型工艺路线,并且制造出实物样件,其性能满足结构设计要求。

形状记忆聚合物及其复合材料在航天领域的应用进展

首先介绍了形状记忆聚合物及其复合材料,概述了该类材料的形状记忆机理。然后重点评述了基于形状记忆聚合物复合材料的可展开铰链、可展开桁架、可展开太阳能电池阵列、锁紧释放机构的结构和性能特点,指出了各类应用的优缺点及适用条件。最后,总结并展望了基于该类材料的空间可展开结构的未来研究重点和发展趋势。

双圈六面体环形桁架式可展开天线结构设计

分析双圈六面体环形桁架可展开结构的展开原理,计算完全展开状态下结构振动频率,说明结构具有较好的刚度。进行展开过程动力学计算,优化展开驱动机构、节点、驱动方式及连杆等结构模型的设计,制作缩比模型,试验证明结构能顺利展开,从而验证模型设计的有效性。计算分析和试验结果表明:双圈六面体环形桁架式可展开天线结构形式简单,收缩比小,具有较好的刚度,在扭簧和电动机拉索力驱动下,能顺利展开,可作为可展开天线结构的有效支撑形式。

高温形状记忆聚酰亚胺的合成

作为一种典型的智能材料,形状记忆聚酰亚胺(Shape Memory Polyimide,SMPI)因其优异的高温形状记忆效应和做功能力,在航空航天和智能光电等尖端领域展示了广阔的应用前景。本实验通过设计一种简单、有效的装置实现无水无氧条件,以1,3-双(3-氨基苯氧基)苯与4,4’-氧代双邻苯二甲酸酐为原料合成聚酰胺酸前驱体,采用梯度升温法制得SMPI。通过凝胶色谱、红外光谱、动态热机械分析和热重分析等方法对产物进行表征。所得SMPI呈现优异的形状记忆效应,高温下可推翻超过自身重量11.93倍的金属板,具有良好的做功能力。本实验涵盖了高分子化学合成、产物结构表征、力学性能测试及应用,具有较强的综合性;此外,实验现象稳定、重现性好,适合本科实验教学。通过模拟“天问一号”红旗的展开,激发学生科研兴趣,培养创新思维,提高综合素质;同时让学生领略到中国航天的独特风采,增强民族自豪感。