面向半豆荚杆的先进拉挤装备技术研究

以航天用复合材料豆荚杆为研究对象,开发先进拉挤成型工艺;对半豆荚杆先进拉挤设备的主要模块:放卷装置、预成型装置、热压装置和牵引夹持装置进行设计,完成半豆荚杆先进拉挤原理样机的搭建,并进行了半豆荚杆的试制。试验表明,成型压力为1MPa、热压温度为130℃、累计热压时间为30min条件下制备的半豆荚杆满足产品要求,为复合材料豆荚杆低成本制造提供了一种新方法。

空间豆荚杆机构收展过程的并行仿真计算

针对空间豆荚杆展开机构的设计,利用显式动态算法和高性能计算资源,对豆荚杆盘卷收拢和展开过程进行了非线性准静态仿真。为满足计算调试和多组工况带来的大规模计算需求,通过计算耗时、应力曲线和能量曲线的对比分析,确立了以提高加载速率为主的显式计算并行加速合理策略。计算过程和结果分析表明,动态仿真方法完全可以用来对豆荚杆机构的功能设计、结构改型和参数调整进行预知仿真,并为试验提供指导和参考。

可折叠铍青铜弹性豆荚杆焊接成型工艺

可折叠铍青铜豆荚杆的焊接成型是该类豆荚杆研制的难点之一,本文对铍青铜豆荚杆的储能点焊工艺进行了研究,分析了工艺参数及热处理对焊接接头名义剪切强度的影响,给出了优选的工艺参数为焊接电压180 V、保压7 s。在最佳工艺条件下成型并经过340℃/2 h时效处理后,焊接接头的名义剪切强度由52 MPa提高到68 MPa。铍青铜焊接接头的名义剪切断口随着焊接电压的增大,从焊接接头区域向热影响区转移。

超长可折叠复合材料豆荚杆轴向压缩屈曲性能测定方法

提出了一种可用于测定具有超长尺度的可折叠薄壁复合材料豆荚杆的轴向压缩屈曲性能的试验方法,该方法突破了通用试验平台的制约,设计并搭建了一套适用于超长尺寸可折叠复合材料豆荚杆轴向压缩试验的测试系统,利用该系统测定了6m长复合材料豆荚杆轴向压缩屈曲失稳载荷。为了进一步验证测试结果的有效性,建立了复合材料豆荚杆特征值屈曲有限元分析模型,将测得的轴向压缩屈曲失稳载荷与有限元模拟分析结果进行对比验证,二者吻合良好。研究结果表明,设计的测试系统可有效测定超长尺寸复合材料豆荚杆的轴向压缩屈曲性能。

半豆荚杆先进拉挤预处理工艺研究

以先进拉挤(Advanced Pultrusion,简称ADP)制备复合材料豆荚杆为背景,分析现有工艺的不足,提出了预处理工艺,以减轻制件表面纤维畸变和两侧厚度不足等缺陷。着重研究了预处理温度和时间对制件的作用机理,并以轴向拉伸性能和层间拉伸强度表征预处理工艺对试样的影响。试验结果表明,1100℃保温50min、105℃保温40min、110℃保温25min三组参数符合预处理工艺要求;2经试验验证,相对直接热压成型,上述预处理工艺参数下制得的试样力学性能没有明显的降低,预处理温度越低,相应的预处理条件下制得的试样力学性能越高。

面向半豆荚杆的先进拉挤新方法研究

以复合材料豆荚杆的制造需求为背景,分析现有先进拉挤(ADP)方法制造半豆荚存在的不足,提出了"动模先进拉挤(MMADP)"方法、以改善半豆荚直线度,设计研制了新型半豆荚动模拉挤系统,并进行了半豆荚拉挤试验,直线度由过去的3mm/m提高到0.5mm/m。

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.

空间薄壁CFRP豆荚杆模态试验及分析

空间薄壁CFRP豆荚杆工作时处于悬臂状态,为掌握其结构动态响应,对10 m长的超长薄壳豆荚杆在下端刚接约束下进行模态试验,得到了其模态和频率。利用有限元软件ADINA对试验模型在不考虑和考虑空气的情况下进行数值模拟分析,得到其在下端刚接约束下的模态和频率。数值模拟与试验结果对比分析表明:对于该试验研究对象,沿弱轴方向的基频,不考虑和考虑空气的计算结果和试验的误差分别为36.4%和4.7%,因此在地面试验和数值分析的过程中需要考虑空气与结构耦合的影响。进一步对豆荚杆的杆长进行参数化分析,得到了3~10 m豆荚杆的基频在不考虑空气和考虑空气影响下的偏差。对悬臂薄壁CFRP豆荚杆的设计、应用具有重要参考价值。

针对半豆荚杆的先进拉挤成型压力研究

采用有限元方法,分析了不同形状与厚度的硅橡胶均压层对半豆荚杆先进拉挤成型时接触压力分布的影响,并以离散系数评价压力分布均匀性的优劣.结果表明：在5 ～50mm厚度范围内,无论增加等距面硅橡胶的垂向厚度还是平移面硅橡胶的竖向厚度,压力分布的离散系数均呈现出先减小后增大的变化趋势,模具型面上接触压力的均匀性先提高后降低;采用竖向厚度为10mm的平移面硅橡胶,模具型面上的接触压力分布最均匀,压力分布的离散系数最小,仅为0.8％.

碳/环氧薄壁豆荚杆热-结构性能试验研究

碳纤维增强环氧树脂基复合材料成功应用于航天器结构,其热-结构效应是重点关注问题之一。该文以碳纤维增强环氧树脂基复合材料空间可展天线薄壁豆荚杆为研究对象,通过试验对其材料热物理参数进行测定,得到材料的热物理参数,测得其比热容和导热系数均随着温度升高而增大,符合材料热参数的变化规律。采用大体积真空罐、热沉和红外加热笼模拟空间热环境,对薄壁豆荚杆进行真空热辐射试验,得到试件特征位置处的瞬态、稳态温度场,并采用低温应变片测试特征点应变时程,分析得到薄壁豆荚杆在热辐射作用下纵向、横向及薄壁内外两侧热响应的温度和应变分布规律,为理论分析、数值研究和设计提供参考。

超长可收展豆荚杆连续成型过程工艺设计与验证

超长可卷绕收展薄壁大变形复合材料杆由于轻质、高收纳比功能,作为百米级大型空间展开结构的主支撑部件。开展了超长复合材料薄壁豆荚杆的连续固化成型技术研究,设计了半豆荚杆连续固化和全豆荚杆连续胶接成型的过程及设备。建立了成型过程过渡区的有限元分析模型,分析了豆荚杆展开-收拢过渡区长度对应力水平的影响,确定了成型过程过渡区的最小长度。依据连续固化过程的压力及脉动时间参数,对豆荚杆的固化成型设备进行了调试运行。通过17m超长豆荚杆样件的试制,验证了成型设备及过程的设计合理性。

可折叠复合材料豆荚杆的制备与验证

为研制可折叠、自动展开复合材料豆荚杆,对其设计、制备技术进行了探索,并完成了功能实验验证研究。根据豆荚杆使用条件和环境,确定了超薄复合材料结构,通过真空袋法和胶结工艺,制备了豆荚杆。采用有限元法进行了轴向压缩承载能力分析计算,验证了制件可以满足设计指标要求;完成了其在室温下的压扁、卷曲和自动恢复形状的功能实验验证;通过扫描电镜(SEM)照片和红外(IR)图谱,分析和讨论了其功能机理。研究结果表明,超薄可折叠复合材料豆荚杆满足功能要求。

基于豆荚杆的三棱柱式可展开薄膜支撑臂设计与优化

大型可展开支撑臂具有广泛应用于空间任务的潜力,传统的可展开支撑臂主要采用的是合金材料,而可展开豆荚杆作为一种轻型复合材料会大大降低空间结构整体质量。结合薄膜天线的应用背景,提出一种基于豆荚杆的三棱柱式可展开薄膜支撑臂形式,并进行设计与优化。建立豆荚杆支撑臂的参数化模型,分析豆荚杆刚度参数与几何参数的关系,根据支撑臂设计目标函数分析选择豆荚杆截面参数。研究三棱柱式豆荚杆支撑臂动力学优化模型,对支撑臂单元数、框架管外径和厚度、斜拉索直径和预应力等进行优化设计,实现薄膜支撑臂最小质量基频比。分析绳索预应力和单元数量的优化结果,研究参数优化对支撑臂力学性能的提高作用。

可展收豆荚杆刚度及收展过程力学分析

大变形薄壁可展收复合材料结构由于其良好的力学性能和折展功能,适用于空间探测领域。针对空间豆荚杆可展收结构,开展了不同构型参数、不同铺层方式下的豆荚杆刚度及稳定性分析。通过悬臂豆荚杆的弯曲与扭转试验验证了数值模型的正确性。采用显式非线性分析方法,对豆荚杆盘卷收拢过程进行了准静态数值模拟。结果分析表明,豆荚杆截面半径越小,铺层厚度越厚,收拢过程的应力水平越大;盘卷的卷筒直径越小,收拢过程的应力水平越大。分析结果为空间可展收豆荚杆的设计提供了理论依据。

光学薄膜折展机构单元胞豆荚蜂窝杆优化

超弹性杆折展机构越来越多地用于太空卫星光学薄膜的收拢和展开的支撑问题,为了避免使用过程因应力集中而产生疲劳裂纹,延长超弹性杆使用寿命,对复合材料超弹性杆在不同铺层方式下压扁后的应力进行了研究。首先,建立单元胞豆荚蜂窝杆有限元模型,使用显示动力法对其压扁后的状态进行非线性数值分析。然后,通过复合材料单元胞豆荚蜂窝杆的不同铺层方式下的压扁后最大应力值建立径向基函数代理模型。最后,利用ISIGHT软件中的遗传算法进行铺层角度的优化。仿真结果表明,在铺设层数为两层的情况下,两层应力对应有限元结果与径向基函数(RBF)结果之间的误差都小于9.95%。复合材料单元胞豆荚蜂窝杆采用两层铺层时,最优的铺层角为第一层、第二层分别为81.962°和82.671°。

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。

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.

薄壁管状空间伸展臂技术综述

介绍了可收拢管状伸展臂(STEM)和可盘卷管状伸展臂(CTM)这两类薄壁管状空间伸展臂的工作原理,并调研了国内外基于该类伸展臂的典型应用,如空间并联机构、可展天线、太阳帆展开机构等。总结分析了薄壁管伸展臂结构与机构设计、仿真分析与试验、成型工艺等关键技术,并对我国在该技术领域的发展提出了开展新型展开机构研究、开展全面地仿真分析与试验、开展薄壁管基材研究、开展成型工艺研究等建议。