[发明专利]豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法

说明书

本发明公开一种豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法，属于结构力学响应特性分析技术领域。该分析方法包括以下步骤：S1，根据豆荚杆的物理特性，建立坐标系并进行所需变量的定义，构建形成豆荚杆结构模型；S2，根据豆荚杆横截面的几何特征，并结合结构的对称性，对所述豆荚杆结构模型进行区域划分；S3，计算豆荚杆各个所述区域在盘绕收拢过程中的应变；S4，计算豆荚杆在盘绕收拢过程中每个复合材料铺层的应力与应变；S5，计算豆荚杆在收拢状态下的总应变能。本发明将复合材料的特性考虑在内，获取了复合材料每层铺层的力学响应特性以及豆荚杆收拢状态下的总应变能，可为豆荚杆的初步设计以及强度校核提供依据。

技术领域

本发明属于结构力学响应特性分析技术领域，具体涉及一种豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法。

背景技术

大型薄膜航天器通常采用豆荚杆作为薄膜结构的支撑结构，由于薄膜结构的尺寸很大，在航天器发射时，豆荚杆需要与薄膜结构一起收纳于航天器内部。豆荚杆一般采用高比强度、高韧性、热膨胀系数低的碳纤维增强复合材料制成，有时也称为复合材料豆荚杆，具有轻质、高刚度、高收纳率等特点。

豆荚杆采用压扁后进行盘绕收拢的方式，此收拢过程中结构的变形复杂，从豆荚杆横截面方向看，豆荚杆要从管状变为扁平状；从其轴向来看，豆荚杆要从长条状缠绕收拢到航天器内部。这两种变形的叠加极易导致其结构的破坏。所以，有必要对豆荚杆的盘绕收拢过程进行分析，寻求一种有效的豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法，从而求得复合材料豆荚杆每个铺层的应力应变情况，进而对豆荚杆进行初步的强度校核，为豆荚杆结构的改进设计提供参考，以提高复合材料豆荚杆的收拢可靠性。

目前，现有的分析方法更多地将豆荚杆结构看作整体进行分析，对结构的复合材料铺层特性涉及较少。然而，在工程实际中，复合材料豆荚杆结构的每层铺层角度、厚度及铺层数量等不尽相同，导致了结构破坏形式的多种可能性。所以，需寻求一种将豆荚杆结构复合材料铺层特性考虑在内的力学分析方法，为这类复合材料豆荚杆结构的初步设计、强度校核及改进设计提供参考。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法，旨在解决传统的理论方法与复合材料特性结合不紧密、不利于豆荚杆盘绕收拢过程参数影响分析等问题。

为实现上述目的，本发明提出一种豆荚杆盘绕收拢过程的力学响应特性分析方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据豆荚杆的物理特性，建立坐标系并进行所需变量的定义，构建形成豆荚杆结构模型；

步骤S2，根据豆荚杆横截面的几何特征，并结合结构的对称性，对所述豆荚杆结构模型进行区域划分；

步骤S3，计算豆荚杆各个所述区域在盘绕收拢过程中的应变；

步骤S4，根据所述豆荚杆各个所述区域在盘绕收拢过程中的应变，计算豆荚杆在盘绕收拢过程中每个复合材料铺层的应力与应变；

步骤S5，根据豆荚在盘绕收拢过程中每个复合材料铺层的应力与应变，计算豆荚杆在收拢状态下的总应变能。

进一步的，所述步骤S1中构建形成豆荚杆结构模型时，还包括给定基本假设，包括：豆荚杆的变形符合直法线假设，且厚度方向变形可以忽略；盘绕收拢过程中豆荚杆不会发生撕裂和开胶行为；在豆荚杆盘绕收拢过程中，不考虑摩擦力以及温度的影响；

所述豆荚杆结构模型中所定义的变量包括：豆荚杆长度l、凸弧段半径r_v、凹弧段半径r_e、凹弧段圆心角α_e、凸弧段圆心角的一半α_v、凸弧段总厚度t_v、凹弧段总厚度t_e、直线段总厚度t_s、直线段长度w以及卷筒半径r_d。

进一步的，所述步骤S3包括以下子步骤S3.1～S3.3：