考虑横向曲率的超弹性铰链纯弯曲非线性力学建模与实验

超弹性铰链依靠自身大挠度弹性折叠存储的弹性势能实现弹性展开,在卫星天线、太阳翼和空间探测任务中具有重要应用价值。基于Calladine壳体理论和冯卡门薄板大挠度理论,提出了纯弯曲状态下各项同性材料超弹性铰链的总应变能解析模型。该模型综合纵向拉伸、纵向弯曲和横向弯曲曲率的影响,并利用最小势能原理推导出非线性弯曲力矩;通过数值研究分析几何参数对峰值力矩的影响,搭建试验平台验证解析模型的准确性;加工12种不同曲率半径、厚度和中心角的镍钛合金超弹性铰链样件;通过试验测量出每个样件在同向和反向弯曲准静态折叠时的峰值力矩,验证了理论模型的准确性。该研究可以用来分析和测试其它类似薄壁超弹性铰链在纯弯曲状态下的峰值力矩,对于设计超弹性铰链具有重大意义。

双层超弹性铰链展开冲击分析与优化

超弹性铰链依靠自身大挠度弹性折叠存储的弹性势能实现弹性展开,集驱动、旋转和锁定于一体。研究了双层超弹性铰链展开冲击性能,提出了降低双层超弹性铰链展开冲击优化方法。为了确保有限元模型的准确性,搭建实验平台对双层超弹性铰链进行动力学展开性能测试,基于实验结果对有限元模型进行修正。采用正交法试验设计建立展开冲击特性代理模型。以展开冲击角度和锁定时间最小为目标函数,采用改进的非支配遗传算法对双层超弹性铰链进行参数化优化设计,得到最优结构尺寸。对最优结构尺寸进行有限元展开分析,误差不大于5.008%,表明代理模型准确性。最优非等厚度与等厚度双层超弹性铰链对比,发现前者冲击角度和锁定时间分别降低52.154%和29.104%,优化后结构的冲击得到明显改善。通过参数研究发现,展开冲击对外侧带簧厚度较为敏感,锁定时间随带簧厚度增加表现出先减少后增大的趋势。

超弹性N形杆纯弯曲力矩理论建模和试验验证

为了使N形杆在空间结构中顺利展开,对其缠绕过程中的力学特性进行了分析。基于协变基向量法建立了纯弯曲条件下各向同性单片带簧在缠绕时应变能理论模型,并采用最小势能原理推导了弯矩的理论模型,然后通过拟合曲率推导了N形杆缠绕时的理论模型。研制了4根N形杆样件,并搭建了试验平台,使用数显式推拉力计分别对杆件在缠绕过程的拉力进行了5次测试,然后求出峰值力矩,发现试验值与理论值的偏差不大于8.83%,偏差平均值为2.813%,从而验证了理论模型的准确性。该研究可用来分析超弹性杆在纯弯曲状态下的峰值力矩,对超弹性杆在宇航空间中的应用具有重大意义。