[发明专利]一种抑制褶皱的空间薄膜结构夹具形状优化设计方法

说明书

本发明属于航天薄膜结构设计领域，提供一种抑制褶皱的空间薄膜结构夹具形状优化设计方法，解决空间薄膜结构在传统夹具拉伸作用下容易产生褶皱现象的问题。在非线性有限元分析基础上，通过优化夹具的形状改变加载边界条件，最大化薄膜区域内单元的最小主应力，调控薄膜的主应力分布，采用全局优化算法寻找全局最优设计，进而获得“弓形”和“凸形”边界的新型夹具形式，以达到完全拟制褶皱的目的。本发明不仅拟制薄膜中褶皱的产生，而且不对薄膜进行裁剪，能够保证薄膜具有足够大的工作面积；适合于空间天线、太阳帆等空间薄膜结构的夹具设计，有利于拟制薄膜褶皱，保证结构工作性能，并且不增加任何制造、发射及运行成本。

技术领域

本发明属于航天薄膜结构设计领域，涉及一种空间薄膜结构的夹具形状优化设计方法。

背景技术

柔性薄膜具备重量轻、能承受大变形、易于折叠/展开等优点，广泛用于航天空间结构。薄膜和展开机构之间通过刚性夹具连接，在太空中展开后使得膜面内产生张拉应力，用以实现其特定功能。然而，由于薄膜几乎不能承受面内压缩应力，在外荷载作用下容易出现面外屈曲，即褶皱现象。对传统设计给出的结构形式进行物理试验及有限元分析表明：空间薄膜结构在展开后容易产生大量褶皱，会严重影响空间结构的形面精度和使用性能。针对此问题，通过在薄膜内部或边缘进行挖孔，虽然能够抑制褶皱，但必然会减少薄膜面积。为得到既能保证高精度形面要求，又具有足够大薄膜工作面积的有效结构形式，一个非常有效的方法是采用优化设计的手段重新设计夹具结构形式，通过改变薄膜的位移加载边界条件来调整薄膜内部区域的应力分布情况，使整个薄膜区域的最小主应力增大为正值，达到预期的完全张拉状态。

发明内容

针对空间薄膜的高精度形面要求及大面积工作膜面要求，本发明提供一种支撑夹具的形状优化设计方法，该方法能够提高薄膜的最小主应力，拟制薄膜中褶皱的产生，同时能够保证薄膜具有足够大的工作面积。本发明适合于空间天线、太阳帆等空间薄膜结构的夹具设计，有利于拟制薄膜褶皱，保证结构工作性能，并且不增加任何制造、发射及运行成本。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种抑制褶皱的薄膜结构夹具形状优化设计方法，主要包括夹具部件形状优化和空间薄膜结构数值验证两部分，具体步骤如下：

第一步，对夹具部件进行形状优化

传统设计给出的薄膜夹具边线一般为直线，在通过夹具施加位移拉伸载荷作用后，薄膜局部的最小主应力为零或负值，从而发生褶皱现象，不满足形面要求。为得到满足膜面精度设计要求和面积要求的空间薄膜结构，本发明通过形状优化的手段重新设计夹具形式，使得薄膜最小主应力为正值，拟制褶皱产生。

1.1)根据结构的尺寸要求和实际加载情况确定设计域，划分有限元单元网格，建立带夹具的薄膜结构有限元模型。所述的薄膜结构有限元模型中，刚性夹具部件用弹性模量足够大的材料进行模拟；在薄膜与夹具的连接线上选取若干设计点，用B样条函数插值生成夹具和薄膜边界；所述夹具材料的弹性模量不小于薄膜的1000倍。

1.2)对刚性夹具施加位移荷载，采用非线性有限元分析方法对所述薄膜结构有限元模型进行分析。

1.3)以薄膜区域内最小主应力最大化为最终设计目标，对夹具的边线进行设计，构造形状优化模型：

(a)目标：使薄膜区域的最小主应力最大化，即其中，e为有限元单元编号，S₂为最小主应力，Ω_m为薄膜区域。

(b)约束：确定薄膜面积用量，作为约束下限。所述的面积用量不小于初始薄膜面积的95％。

(c)设计变量：夹具边线上设计点的坐标。