[发明专利]一种空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法

说明书

本发明属于薄膜技术领域，公开了一种空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析一种空间薄膜结构褶皱的分析方法。本发明首先对薄膜结构褶皱研究的三种数值方法进行了比较，并与试验结果进行了对比，验证了方法的正确性，得出动力显示法是一种较为合适的褶皱分析方法的结论；采用动力显示法分析了在不同膜材厚度、不同网格密度和不同剪切位移下Kapton矩形剪切薄膜褶皱的主应力和弹性应变能分布规律及原因，得出以下结论：单元网格大小仅仅影响计算的精度和计算量，而影响薄膜褶皱的两个重要参数是膜材厚度和剪切位移，对薄膜褶皱的主应力大小、主应力波形曲线振幅、弹性应变能密度以及薄膜总弹性应变能影响都较大，其规律对工程实际具有重要参考价值。

技术领域

本发明属于薄膜技术领域，尤其涉及一种空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析一种空间薄膜结构褶皱的分析方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

由于薄膜材料抗弯刚度极小，受到某种荷载作用致使内部产生压应力时，很容易发生平面外屈曲，产生褶皱。对于薄膜结构的褶皱研究，国内外学者主要集中在褶皱数量、幅度、半波长和剪切角度的影响因素以及应力的分布、褶皱对薄膜动态特性的影响等方面。主要研究理论有张力场理论、分叉屈曲理论和有限质点理论，对于褶皱的研究主要采用有限元分析方法，常见的有限元分析方法包括非线性屈曲法、直接扰动法和动力显示法等。

YWesleyWang和SergioPellegrino通过有限元软件ABAQUS结合实验研究了矩形薄膜受剪切和方形薄膜对角张拉两种情况的褶皱分布和应力分布；王震开发了向量式有限元分析方法并研究了褶皱扩展变形全过程；殷亮通过有限元软件ABAQUS结合实验研究了矩形薄膜受剪切的褶皱幅值、褶皱半波长、褶皱角度和褶皱数量的影响因素；李云良通过有限元软件ANSYS研究了矩形薄膜受剪切的二次屈曲行为、薄膜屈曲缺陷敏感性；马瑞通过有限元软件ANSYS/LS-YNA研究了褶皱对薄膜动力特性的影响。

薄膜褶皱形成过程中弹性应变能和主应力分布分析，有助于实际工程中薄膜结构规避高弹性应变能带来的破坏力，对于褶皱的形成机理的探究以及褶皱的预测与控制有着重要意义，能为薄膜结构的设计提供参考。但是国内外文献对褶皱产生时弹性应变能和应力的分布和影响报道很少。

综上所述，现有技术存在的问题是：

从文献资料来看，国内外对于薄膜结构的褶皱研究，主要集中在褶皱数量、幅度、半波长和剪切角度的影响因素以及应力的分布、褶皱对薄膜动态特性的影响等方面，缺乏对薄膜褶皱的形成机理的探究，因此，本发明试图从能量和应力的角度对褶皱的形成机理进行深入研究，为褶皱的预测与控制提供重要参考；

现有薄膜因其厚度薄、抗弯刚度小，当外载荷产生的压应力超过临界压应力时，就会出现局部屈曲现象而形成褶皱。褶皱的出现不仅会影响薄膜结构的表面精度，还会改变结构的应力分布状态，进而影响结构的静力和动力特性。

解决上述技术问题的难度和意义：

空间结构中常常使用的Kapton和Mylar薄膜厚度都非常薄，在太空环境或施工过程中，都会产生压应力，一旦外载荷产生的压应力超过临界应力，薄膜便会产生局部屈曲的现象，即褶皱。褶皱的存在，会使得表面张力减小、刚度降低，从而影响用薄膜制成的空间结构如反射面、太阳帆以及充气天线等结构的表面精度，直接影响收发信号能力的强弱，因此如何消除褶皱的形成和产生，是一项艰巨而重要的任务，而褶皱的形成离不开能量和应力。

本发明试图从能量和应力的角度研究褶皱的形成机理，对于褶皱的预测和防范具有直接而重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析一种空间薄膜结构褶皱的分析方法。

本发明是这样实现的，

一种空间褶皱薄膜弹性应变能和主应力有限元分析方法，包括：