[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

摘要

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。

主权项

一种抑制褶皱的空间薄膜结构夹具形状优化设计方法，其特征在于以下步骤：第一步，对夹具部件进行形状优化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；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；1.4)根据步骤1.3)建立的形状优化模型，对极小极大优化目标进行凝聚变换；1.5)根据步骤1.3)和1.4)建立的形状优化问题，采用全局优化算法进行求解，得到夹具形状优化问题的全局最优解；第二步，对空间薄膜结构进行数值验证在第一步1.5)得到的优化后夹具形式的基础上，通过引入薄膜随机缺陷，进行非线性后屈曲分析，对优化后的空间薄膜结构进行效果验证。