CN115556967A - 一种考虑材料厚度的柔性防护结构折叠方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑材料厚度的柔性防护结构折叠方法。该方法为，首先针对柔性防护结构中的各单层薄膜，进行折叠过程的准静态模拟和折叠性能分析，得到各单层薄膜的折叠应变/应力与折痕处曲率半径的关系曲线；然后根据柔性防护结构中各层薄膜厚度及柔性防护结构能达到的最小折叠曲率半径，初步设计柔性防护结构的折叠状态。接着分别完成正反两向折叠过程的准静态分析，得到折痕处应力分布情况。最后根据空间充气舱的几何外形和尺寸，以及正向折叠和反向折叠的最小曲率半径，选取合适的折叠数，即可确定空间充气舱的折叠方案。本发明充分考虑到了材料厚度对于折叠性能的影响，能够更加合理地为空间充气舱的折叠方案设计提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性防护结构折叠技术，特别是涉及一种考虑材料厚度的空间充气舱柔性防护结构折叠方法，属于航天器结构技术领域。
背景技术
2016年国际空间站上的Bigelow Expandable Activity Module(BEAM)空间充气舱圆满完成充气展开试验，标志着空间充气舱已经成功应用于载人空间站。空间充气舱搭载发射之前，柔性防护结构需要折叠包装，在轨充气展开形成预先设计的结构。柔性防护结构的折叠方法和折叠性能评估是其中的关键技术，直接决定了空间充气舱能否顺利搭载、在轨展开乃至整个航天任务的成败。
针对几何外形为圆柱状或圆锥状的空间充气舱，其折叠理论主要有：Z字形折叠、卷曲折叠、折纸折叠、变直径伸缩式折叠等。折纸折叠样式又有：①Yoshimura样式；②波纹管样式；③Miura样式；④六折线样式；⑤刚性折纸样式。但上述折叠理论中并未考虑薄膜材料厚度的影响。
发明内容
本发明在考虑材料厚度的影响下，提出了一种柔性防护结构折叠方法，能够更加合理的设计空间充气舱的折叠方案。
本发明采用的技术方案如下：
在给定柔性防护结构材料方案的基础上，一种考虑材料厚度的柔性防护结构折叠方法，步骤如下：
第一步，针对柔性防护结构中的各单层薄膜，进行折叠过程的准静态模拟和折叠性能分析，得到各单层薄膜的折叠应变/应力与折痕处曲率半径的关系曲线，在不超过安全强度的前提下，找到相同应力下曲率半径最小的那一层薄膜，并由该层薄膜来控制柔性防护结构能达到的最小折叠曲率半径。
所述柔性防护结构，从空间充气舱的外表面向内一般由五层构成：隔热层、空间碎片及辐射防护层、约束层、承压层和内部防磨损层。
所述折叠过程的准静态模拟指的是利用ABAQUS或ANSYS等有限元软件，建立单层薄膜的几何模型，在模型中间预留一个折痕区域，方便后续设置载荷和测量折痕处最小曲率半径，根据给定的柔性防护结构材料方案，设置单层薄膜的材料工程参数，包括厚度、密度、弹性模量、泊松比和安全强度等。约束预留折痕区域中线位置处x、y、z三个方向的位移，在折痕两侧的面域施加绕折痕旋转90度的位移载荷，两侧的面域相向弯折。
所述折叠性能分析指的是根据通过对单层薄膜折叠过程的准静态模拟，可以得到该薄膜折叠后的最大应变/应力，改变材料属性和厚度可分析其他单层薄膜的折叠过程，从而得到了各单层薄膜的折叠应变/应力与折痕处曲率半径的关系曲线。
第二步，根据柔性防护结构中各层薄膜厚度以及柔性防护结构能达到的最小折叠曲率半径，初步设计柔性防护结构折叠状态，所述防护结构的折叠状态包括正向折叠和反向折叠；具体方法为：首先根据第一步中找到的用于控制所述柔性防护结构最小曲率半径的薄膜的折叠应变/应力与折痕处曲率半径的关系曲线确定其合适的曲率半径，然后按照各单层薄膜的厚度依次确定其他层薄膜的曲率半径，即可完成柔性防护结构折叠状态的初步设计。
所述正向折叠和反向折叠，是指在折叠过程中折痕会有峰线和谷线，折叠后柔性防护结构外侧(这里指隔热层)在折痕峰线时对应为正向折叠，折叠后柔性防护结构外侧在折痕谷线时对应为反向折叠。
第三步，分别完成柔性防护结构正向和反向折叠过程的准静态模拟，得到折痕处折叠应力分布情况，将各层薄膜折痕处的最大应力与安全强度比较，若小于安全强度，说明设计满足要求；若大于安全强度，则需要增大该层的折叠曲率半径，直到小于安全强度为止。
所述柔性防护结构两向折叠过程的准静态模拟中，柔性防护结构由多层矩形壳构成，不同的层按给定材料方案的顺序进行铺层，相邻层之间按照薄膜的厚度设置初始间隙。为了防止折叠加载过程中发生网格穿透，模型中设置了相邻层之间无摩擦的硬接触对。
所述正向折叠过程的准静态模拟，指约束柔性防护结构外侧(隔热层)矩形壳预留折痕区域中线位置处x、y、z三个方向的位移，在折痕两侧的面域施加绕折痕旋转90度的位移载荷，两侧的面域相向弯折，即可得到正向折叠的折痕处折叠应力分布情况。所述反向折叠过程的准静态模拟，指约束柔性防护结构内侧(内部防磨损层)矩形壳预留折痕区域中线位置处x、y、z三个方向的位移，在折痕两侧的面域施加绕折痕旋转90度的位移载荷，两侧的面域相向弯折，即可得到反向折叠的折痕处折叠应力分布情况。
第四步，根据空间充气舱的几何外形和尺寸，以及上述第三步所得到的正向和反向两向折叠的最小曲率半径，选取合适的折叠数，即可确定空间充气舱的折叠方案。
本发明的有益效果：
在空间充气舱折叠过程中，层合材料厚度对折叠性能的影响不可忽略。本发明在考虑材料厚度的影响下，提出了一种柔性防护结构的折叠方法。依据此方法，能够在分析单层薄膜折叠过程的基础上，得到有限厚度柔性防护结构的折叠性能，再参考空间充气舱展开状态的几何外形和尺寸，更加合理地设计最终折叠方案，使得空间充气舱柔性防护结构保持良好的折叠性能。
附图说明
图1为折叠方案设计流程。
图2为单层薄膜的有限元模型。
图3为各层薄膜的折叠应力/应变-曲率半径曲线，其中，a)为层合Al-Kapton膜的折叠应变-曲率半径曲线；b)为Nextel纤维的折叠应力-曲率半径曲线；c)为聚氨酯泡沫的折叠应力-曲率半径曲线；d)为Kevlar织物的折叠应力-曲率半径曲线；e)为Vectran纤维的折叠应力-曲率半径曲线。。
图4为柔性防护结构折叠过程建模示意图。
图5为类BEAM空间充气舱几何尺寸。
图6为空间充气舱的折叠方案的示意图，其中a)为二维示意图，b)为三维示意图。
具体实施方式
下面结合附图，从对某空间充气舱折叠方案的设计详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
已知该空间充气舱柔性防护结构为层合材料，每个功能层的材料名称和厚度如表1所示。所述柔性防护结构，从空间充气舱的外表面向内一般由五层构成：隔热层、空间碎片及辐射防护层、约束层、承压层和内部防磨损层。在本实施例中，承压层和内部防磨损层设计为同一层。
表1各功能层的材料名称和厚度
图1为本发明一种考虑材料厚度的空间充气舱柔性防护结构折叠方法示意图，该方法具体包括以下步骤：
(1)单层薄膜折叠性能分析
采用有限元软件ABAQUS，分别建立各单层薄膜的几何模型，为3m*1m的矩形，矩形薄膜采用S4R单元离散，中间预留折痕区域的网格适当加密，方便后续设置载荷和测量折痕处最小曲率半径，如图2。
根据表1，分别设置单层薄膜的厚度。根据给定的材料工程参数，分别设置单层薄膜的密度、弹性模量和泊松比。设置预留折痕区域的中线位置约束x、y、z三个方向的位移，折痕两侧的面域施加绕折痕旋转90度的位移载荷，两侧的面域相向弯折。
改变材料属性和厚度可重复分析其他单层薄膜的折叠过程，从而得到了各层的应力/应变随曲率半径的变化情况，如图3。由图3可知，Nextel纤维层在曲率半径较大时最大应力就超过安全强度，而其他四层薄膜能够弯折到很小曲率半径时折叠应力/应变才会超过安全强度。因此在本例中后续柔性防护结构折叠状态初步设计中，将由Nextel纤维层控制柔性防护结构能达到的最小折叠曲率半径。
(2)层合材料折叠状态初步设计
根据各单层薄膜的折叠应力/应变-曲率半径曲线(即应变/应力与折痕处曲率半径的关系曲线)及表1的铺层方案，初步设计柔性防护结构折叠状态。首先根据图3中的Nextel纤维层的折叠应力/应变-曲率半径曲线确定其合适的曲率半径(将Nextel纤维层折叠后的最大应力与安全强度进行比较，即可得到其所能达到的最小折叠曲率半径，这里选择的曲率半径应大于其所能达到的最小折叠曲率半径)，然后按照各单层薄膜的厚度依次确定其他四层薄膜的曲率半径，得到的折叠状态初步结果如表2和表3。从而可得柔性防护结构正向折叠后的折痕处厚度为119.8mm，反向折叠后的折痕处厚度为155.1mm。
表2正向折叠时各层薄膜曲率半径和最大应力水平
| 铺层(从外到内) | 曲率半径mm | 最大应力水平GPa | 安全强度GPa |
| 层合Al-Kapton膜 | 59.675 | 0.00379(应变) | 0.09(应变) |
| Nextel纤维 | 58.95 | 1.6 | 2.1 |
| 聚氨酯泡沫 | 48.45 | 0.004 | 0.02 |
| Kevlar织物 | 36.45 | 0.7294 | 2.4 |
| Vectran纤维 | 32.2 | 1.8 | 2.27 |
表3反向折叠时各层薄膜曲率半径和最大应力水平
| 铺层(从内到外) | 曲率半径m | 最大应力水平GPa | 安全强度GPa |
| 层合Al-Kapton膜 | 47.8 | 0.00511(应变) | 0.09(应变) |
| Nextel纤维 | 48.55 | 1.95 | 2.1 |
| 聚氨酯泡沫 | 59.05 | 0.00332 | 0.02 |
| Kevlar织物 | 71.05 | 0.3812 | 2.4 |
| Vectran纤维 | 75.30 | 0.7884 | 2.27 |
(3)层合材料两向折叠过程准静态模拟与分析
柔性防护结构折叠过程模拟和单层薄膜类似，柔性防护结构模型由多层矩形壳构成，如图4。将不同的层按照表1的顺序进行铺层，相邻层之间按照薄膜的厚度设置初始间隙。在模型中设置相邻层之间无摩擦的硬接触对，以防止网格穿透。
对于正向折叠过程，设置层合Al-Kapton膜这层矩形壳的预留折痕区域的中线位置约束x、y、z三个方向的位移，折痕两侧的面域施加绕折痕旋转90度的位移载荷，两侧的面域相向弯折。对于反向折叠过程，设置Vectran纤维这层平面壳的预留折痕区域的中线位置约束x、y、z三个方向的位移，折痕两侧的面域施加绕折痕旋转90度的位移载荷，两侧的面域相向弯折。
由模拟结果得到了柔性防护结构折痕处的应力分布，各单层薄膜的最大应力均小于安全强度，说明设计结果满足要求。
(4)空间充气舱折叠方案设计
本例中将针对类BEAM空间充气舱，按照上述的柔性防护结构设计其折叠方案。类BEAM空间充气舱完全展开状态的外形类似纺锤形，几何尺寸如图5。
根据前述柔性防护结构的折叠性能分析结果，确定正向折痕和反向折叠处的中性面折叠曲率半径均为0.065m，采用波纹管折叠方案。柔性防护结构一共设计有8条环状的折痕，可通过不同直径的刚性圆环向下压或向上提柔性防护结构实现折叠过程，刚性圆环如图6a)中的小圆圈，刚性圆环向下压或向上提按箭头所示。空间充气舱折叠状态的三维模型如图6b)。
考虑柔性防护结构厚度后，类BEAM空间充气舱的体积折叠率为4.2，接近于BEAM空间充气舱。
Claims (4)
1.一种考虑材料厚度的柔性防护结构折叠方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，针对柔性防护结构中的各单层薄膜，进行折叠过程的准静态模拟和折叠性能分析，得到各单层薄膜的折叠应变/应力与折痕处曲率半径的关系曲线；在不超过安全强度的前提下，找到相同应力下曲率半径最小的那一层薄膜，并由该层薄膜来控制所述柔性防护结构能达到的最小折叠曲率半径；
第二步，根据柔性防护结构中各层薄膜厚度及柔性防护结构能达到的最小折叠曲率半径，初步设计柔性防护结构的折叠状态，所述防护结构的折叠状态包括正向折叠和反向折叠；所述正向折叠和反向折叠定义为：在折叠过程中折痕包括峰线和谷线，折叠后柔性防护结构外侧在折痕峰线时对应为正向折叠，折叠后柔性防护结构外侧在折痕谷线时对应为反向折叠；
第三步，分别完成柔性防护结构正向折叠和反向折叠过程的准静态模拟，得到折痕处折叠应力分布情况，并将各层薄膜折痕处的最大应力与安全强度比较：若小于安全强度，说明设计满足要求；若大于安全强度，则需要增大该层薄膜的折叠曲率半径，直到小于安全强度为止；
第四步，根据空间充气舱的几何外形和尺寸，以及正向折叠和反向折叠的最小曲率半径，选取合适的折叠数，即可确定空间充气舱的折叠方案。
2.根据权利要求1所述的考虑材料厚度的柔性防护结构折叠方法，其特征在于，所述折叠过程的准静态模拟具体为：利用有限元软件建立单层薄膜的几何模型，在几何模型中间预留一个折痕区域，方便后续设置载荷和测量折痕处最小曲率半径，根据给定的柔性防护结构材料方案，设置单层薄膜的材料工程参数，包括厚度、密度、弹性模量、泊松比和安全强度；约束预留的折痕区域中线位置处x、y、z三个方向的位移，在折痕两侧的面域施加绕折痕旋转90度的位移载荷，两侧的面域相向弯折；
所述折叠性能分析具体为：通过对单层薄膜折叠过程的准静态模拟，得到该单层薄膜折叠后的最大应变/应力，通过改变材料属性和厚度分析其他单层薄膜的折叠过程，得到各单层薄膜的折叠应变/应力与折痕处曲率半径的关系曲线。
3.根据权利要求1所述的考虑材料厚度的柔性防护结构折叠方法，其特征在于，第二步中根据柔性防护结构中各层薄膜厚度及柔性防护结构能达到的最小折叠曲率半径，初步设计柔性防护结构折叠状态，具体为：首先根据第一步中找到的用于控制所述柔性防护结构最小曲率半径的薄膜的折叠应变/应力与折痕处曲率半径的关系曲线确定其合适的曲率半径，然后按照各单层薄膜的厚度依次确定其他层薄膜的曲率半径，即可完成柔性防护结构折叠状态的初步设计。
4.根据权利要求1所述的考虑材料厚度的柔性防护结构折叠方法，其特征在于，所述第三步中，所述柔性防护结构正向折叠和反向折叠过程的准静态模拟中，柔性防护结构由多层矩形壳构成，不同的层按给定材料方案的顺序进行铺层，相邻层之间按照薄膜的厚度设置初始间隙，且相邻层之间设置有无摩擦的硬接触对；
柔性防护结构正向折叠过程的准静态模拟具体为：约束柔性防护结构外侧矩形壳预留折痕区域中线位置处x、y、z三个方向的位移，在折痕两侧的面域施加绕折痕旋转90度的位移载荷，两侧的面域相向弯折，即可得到正向折叠的折痕处折叠应力分布情况；
柔性防护结构反向折叠过程的准静态模拟具体为：约束柔性防护结构内侧矩形壳预留折痕区域中线位置处x、y、z三个方向的位移，在折痕两侧的面域施加绕折痕旋转90度的位移载荷，两侧的面域相向弯折，即可得到反向折叠的折痕处折叠应力分布情况。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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