[发明专利]一种大范围空间柔性薄膜动力学参数计算方法

说明书

本发明提出一种大范围空间柔性薄膜动力学参数计算方法，属于航天领域。该方法首先建立柔性薄膜的力学仿真模型，在仿真模型中将柔性薄膜离散为若干相邻的基本三角形单元，计算每个单元的单位面积能量密度；计算各单元中每条边的拉压应力和弯曲应力；利用每条边的拉压应力和弯曲应力，建立该边任一节点的动力学方程；对各节点的动力学方程求解，得到每个时刻柔性薄膜每个节点的位移矢量和速度矢量。本发明可对大范围空间柔性薄膜进行动力学建模，在保持仿真精度的同时，采用更少的离散节点进行计算，极大地降低计算量，并且能够精确仿真大范围柔性薄膜的拉伸、弯曲等大变形运动，得到大范围空间柔性薄膜在空间环境中的位移、速度等运动参数。

技术领域

本发明属于航天领域，具体涉及一种大范围空间柔性薄膜动力学参数计算方法。

背景技术

目前，柔性薄膜已广泛应用于航天领域，如在深空探测PI薄膜太阳帆、Kapton薄膜航天器以及小行星柔性附着薄膜探测器设计等研究中。空间柔性薄膜的展开长度与厚度的比值大于50，一般采用聚酰亚胺、硅胶等特殊材料制成，是当下不同国家之间相互竞争的重要领域之一。

遥远且复杂的深空环境使得真实的大规模重复性试验难以开展，因此在实际发射任务前进行准确系统的动力学仿真具有极其现实的指导意义。现阶段对柔性薄膜进行动力学仿真主要采用有限元方法，即将柔性薄膜离散为不同的计算单元，通过研究不同计算单元的运动变化近似柔性薄膜的运动。然而有限元方法的准确性严重依赖于计算单元的数量，数量越多，仿真效果越好，且柔性薄膜的尺寸越大，离散单元的数量便会急剧增加。如此庞大的计算量使得大部分个人计算机难以承受。因此，在更长期的大规模动力学仿真中，亟待计算量更小，但仿真精度却能得到保持的方法。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足之处，提出一种大范围空间柔性薄膜动力学参数计算方法。本发明可对大范围空间柔性薄膜进行动力学建模，能够在保持仿真精度的同时，采用更少的离散节点进行计算，极大地降低计算量，并且能够精确仿真大范围柔性薄膜的拉伸、弯曲等大变形运动，得到大范围空间柔性薄膜在空间环境中的位移、速度等运动参数。利用本发明可以解决大范围空间柔性薄膜动力学仿真的难题。

本发明提出一种大范围空间柔性薄膜动力学参数计算方法，其特征在于，该方法首先建立柔性薄膜的力学仿真模型，在仿真模型中将柔性薄膜离散为若干相邻的基本三角形单元，计算每个基本三角形单元的单位面积能量密度；计算基本三角形单元中每条边的拉压应力和弯曲应力；利用每条边的拉压应力和弯曲应力，建立该边任一节点的动力学方程，从而得到柔性薄膜的动力学模型；对各节点的动力学方程求解，得到每个时刻柔性薄膜各节点的位移矢量和速度矢量。该方法包括以下步骤：

1)建立柔性薄膜的力学仿真模型，在仿真模型中将柔性薄膜离散为若干相邻的基本三角形单元，计算每个基本三角形单元的单位面积能量密度；具体步骤如下：

1-1)建立柔性薄膜的力学仿真模型，在仿真模型中将柔性薄膜离散为若干相邻的基本三角形单元；

1-2)获取柔性薄膜材料的弹性模量E，泊松比υ，阻尼系数c；

对每个基本三角形单元i，将该基本三角形单元的三条边序号记为e，e+1和e+2，该基本三角形单元内部当前拉压应力σ_i满足如下表达式：