[发明专利]用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜结构力学和结构屈曲分析的技术领域。

背景技术

薄膜充气梁是大型宇航器膜结构(如空间充气展开天线和太阳帆等)的主承力部件，承受端部弯曲载荷是其工作时的主要受力工况。由于薄膜充气梁的壁厚十分薄(微米级)，所以在弯曲载荷作用下很容易在其固定端附近出现局部屈曲，即使是有压力作用的情况下也会在其轴向和环向产生多个褶皱。褶皱产生时对应的充气梁端部弯矩为临界皱曲弯矩，褶皱会随着弯矩的增加而同时沿着薄膜充气梁的轴向和环向迅速扩展，当褶皱几乎遍及整个环向时，薄膜充气梁将失去承载能力，此时对应的充气梁端部弯矩为失效弯矩，弯皱特性预报是薄膜充气梁承力特性分析的核心问题。

目前，薄膜充气梁弯皱特性预报模型主要有两大类，一类是薄膜模型，另一类是薄壳模型。薄膜模型将梁壁材料考虑为纯薄膜，认为充气梁轴向应力为零时固定端产生褶皱，且褶皱遍布整个环向时结构失效。薄壳模型将梁壁材料考虑为薄壳，认为其可以抵抗微小的压缩应力，当充气梁轴向应力达到临界压缩应力时出现褶皱，且褶皱遍布整个环向时结构失效。薄壳模型是通过将薄壳压缩应力部分承担的弯矩与薄膜模型预报的弯矩相叠加来实现对薄膜充气梁弯皱特性的预报。

薄膜模型和薄壳模型都假定褶皱遍布整个充气梁环向时结构失效，这与实际的实验结果完全不符，导致薄膜模型或薄壳模型中的薄膜公式部分对结构的过高估计，且两个模型都没有准确考虑充气压力效应作用下结构的膨胀变形，因此，已有的薄膜模型和薄壳模型都不能准确预报薄膜充气梁的弯皱特性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的薄膜充气梁弯皱特性预报模型过高估计预报值和没有考虑充气压力效应的问题，提出一种用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型。

本发明的建立步骤如下：

步骤一：建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄膜模型：首先假定薄膜充气梁梁壁材料为纯薄膜，联合特定的褶皱条件建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄膜模型；

步骤二：引入临界压缩应力建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄壳模型：引入弹性薄壳临界压缩应力形式，将由其产生的弯矩叠加到薄膜模型上建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄壳模型；

步骤三：根据充气梁受力特性确定自然构型和预应力参考构型：根据薄膜充气梁的受力特性确定建立壳膜模型所需的预应力参考构型，并在此构型上引入充气压力效应考虑薄膜充气梁因充气产生的膨胀变形；

步骤四：在预应力参考构型下引入充气压力效应和修正系数，建立薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型：引入修正系数作用于考虑充气压力效应的薄壳模型中薄膜公式，以降低其对预报值的过高估计，联合引入考虑充气压力效应的临界压缩应力公式得到薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型。

本发明具有以下有益效果：本发明将薄膜模型和薄壳模型的优点结合，通过在预应力参考构型下引入修正系数和考虑充气压力效应，能够准确且有效地预报薄膜充气梁的临界皱曲弯矩和失效弯矩，为后续薄膜充气梁的承力特性预报和褶皱控制提供更准确的信息。本发明是用于预报薄膜充气梁弯皱特性的壳膜模型，它同时兼顾了薄膜模型和薄壳模型的优点，充分考虑充气压力效应和原有预报模型的过高估计，从根本上解决了单一薄膜模型和薄壳模型无法准确预报薄膜充气梁弯皱特性的问题。

附图说明

图1是用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型的流程图，图2是薄膜充气梁的整体模型示意图，图3是薄膜充气梁的任意截面示意图，图4是薄膜充气梁的任意截面应力分布图，(图2和图3中：x表示薄膜充气梁任意截面的水平方向坐标，y表示薄膜充气梁任意截面的垂直方向坐标，z表示薄膜充气梁的轴线方向坐标，z₀为薄膜充气梁的轴向长度，θ_w为褶皱角，W为褶皱区)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤建立的：

步骤一：建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄膜模型：首先假定薄膜充气梁梁壁材料为纯薄膜，联合特定的褶皱条件建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄膜模型；

步骤二：引入临界压缩应力建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄壳模型：引入弹性薄壳临界压缩应力形式，将由其产生的弯矩叠加到薄膜模型上建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄壳模型；

步骤三：根据充气梁受力特性确定自然构型和预应力参考构型：根据薄膜充气梁的受力特性确定建立壳膜模型所需的预应力参考构型，并在此构型上引入充气压力效应考虑薄膜充气梁因充气产生的膨胀变形；