专利名称：用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜结构力学和结构屈曲分析的技术领域。
背景技术：
薄膜充气梁是大型宇航器膜结构(如空间充气展开天线和太阳帆等)的主承力部件，承受端部弯曲载荷是其工作时的主要受力工况。由于薄膜充气梁的壁厚十分薄(微米级)，所以在弯曲载荷作用下很容易在其固定端附近出现局部屈曲，即使是有压力作用的情况下也会在其轴向和环向产生多个褶皱。褶皱产生时对应的充气梁端部弯矩为临界皱曲弯矩，褶皱会随着弯矩的增加而同时沿着薄膜充气梁的轴向和环向迅速扩展，当褶皱几乎遍及整个环向时，薄膜充气梁将失去承载能力，此时对应的充气梁端部弯矩为失效弯矩，弯皱特性预报是薄膜充气梁承力特性分析的核心问题。目前，薄膜充气梁弯皱特性预报模型主要有两大类，一类是薄膜模型，另一类是薄壳模型。薄膜模型将梁壁材料考虑为纯薄膜，认为充气梁轴向应力为零时固定端产生褶皱， 且褶皱遍布整个环向时结构失效。薄壳模型将梁壁材料考虑为薄壳，认为其可以抵抗微小的压缩应力，当充气梁轴向应力达到临界压缩应力时出现褶皱，且褶皱遍布整个环向时结构失效。薄壳模型是通过将薄壳压缩应力部分承担的弯矩与薄膜模型预报的弯矩相叠加来实现对薄膜充气梁弯皱特性的预报。薄膜模型和薄壳模型都假定褶皱遍布整个充气梁环向时结构失效，这与实际的实验结果完全不符，导致薄膜模型或薄壳模型中的薄膜公式部分对结构的过高估计，且两个模型都没有准确考虑充气压力效应作用下结构的膨胀变形，因此，已有的薄膜模型和薄壳模型都不能准确预报薄膜充气梁的弯皱特性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的薄膜充气梁弯皱特性预报模型过高估计预报值和没有考虑充气压力效应的问题，提出一种用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型。本发明的建立步骤如下步骤一建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄膜模型首先假定薄膜充气梁梁壁材料为纯薄膜，联合特定的褶皱条件建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄膜模型；步骤二 引入临界压缩应力建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄壳模型引入弹性薄壳临界压缩应力形式，将由其产生的弯矩叠加到薄膜模型上建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄壳模型；步骤三根据充气梁受力特性确定自然构型和预应力参考构型根据薄膜充气梁的受力特性确定建立壳膜模型所需的预应力参考构型，并在此构型上引入充气压力效应考虑薄膜充气梁因充气产生的膨胀变形；步骤四在预应力参考构型下引入充气压力效应和修正系数，建立薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型引入修正系数作用于考虑充气压力效应的薄壳模型中薄膜公式，
6以降低其对预报值的过高估计，联合引入考虑充气压力效应的临界压缩应力公式得到薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型。本发明具有以下有益效果本发明将薄膜模型和薄壳模型的优点结合，通过在预应力参考构型下引入修正系数和考虑充气压力效应，能够准确且有效地预报薄膜充气梁的临界皱曲弯矩和失效弯矩，为后续薄膜充气梁的承力特性预报和褶皱控制提供更准确的信息。本发明是用于预报薄膜充气梁弯皱特性的壳膜模型，它同时兼顾了薄膜模型和薄壳模型的优点，充分考虑充气压力效应和原有预报模型的过高估计，从根本上解决了单一薄膜模型和薄壳模型无法准确预报薄膜充气梁弯皱特性的问题。
图1是用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型的流程图，图2是薄膜充气梁的整体模型示意图，图3是薄膜充气梁的任意截面示意图，图4是薄膜充气梁的任意截面应力分布图，(图2和图3中x表示薄膜充气梁任意截面的水平方向坐标，y表示薄膜充气梁任意截面的垂直方向坐标，ζ表示薄膜充气梁的轴线方向坐标，^为薄膜充气梁的轴向长度， θ w为褶皱角，W为褶皱区)。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1 图4说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤建立的步骤一建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄膜模型首先假定薄膜充气梁梁壁材料为纯薄膜，联合特定的褶皱条件建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄膜模型；步骤二 引入临界压缩应力建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄壳模型引入弹性薄壳临界压缩应力形式，将由其产生的弯矩叠加到薄膜模型上建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄壳模型；步骤三根据充气梁受力特性确定自然构型和预应力参考构型根据薄膜充气梁的受力特性确定建立壳膜模型所需的预应力参考构型，并在此构型上引入充气压力效应考虑薄膜充气梁因充气产生的膨胀变形；步骤四在预应力参考构型下引入充气压力效应和修正系数，建立薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型引入修正系数作用于考虑充气压力效应的薄壳模型中薄膜公式， 以降低其对预报值的过高估计，联合引入考虑充气压力效应的临界压缩应力公式得到薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型。
具体实施方式
二 结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式的步骤一中薄膜充气梁的弯皱特性预报的薄膜模型的建立首先，结构力的平衡方程按公式一建立公式
权利要求
1.一种用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型，其特征在于它的建立步骤如下 步骤一建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄膜模型首先假定薄膜充气梁梁壁材料为纯薄膜，联合特定的褶皱条件建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄膜模型；步骤二 引入临界压缩应力建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄壳模型引入弹性薄壳临界压缩应力形式，将由其产生的弯矩叠加到薄膜模型上建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄壳模型；步骤三根据充气梁受力特性确定自然构型和预应力参考构型根据薄膜充气梁的受力特性确定建立壳膜模型所需的预应力参考构型，并在此构型上引入充气压力效应考虑薄膜充气梁因充气产生的膨胀变形；步骤四在预应力参考构型下引入充气压力效应和修正系数，建立薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型引入修正系数作用于考虑充气压力效应的薄壳模型中薄膜公式，以降低其对预报值的过高估计，联合引入考虑充气压力效应的临界压缩应力公式得到薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型。
2.根据权利要求1所述用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型，其特征在于步骤一中薄膜充气梁的弯皱特性预报的薄膜模型的建立过程为首先，结构力的平衡方程按公式一建立
3.根据权利要求1所述用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型，其特征在于步骤二在步骤一的基础上，引入临界压缩应力，进而建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄壳模型， 具体过程为考虑薄膜充气梁梁壁材料为弹性薄壳，其产生褶皱的条件为 公式十一 σι = -σ。 ;θ = θψ；其中，σ 为薄壳的临界压缩应力，由此确定薄壳模型的待定常数C1为公式十二
4.根据权利要求1所述用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型，其特征在于在步骤三中对于薄膜充气梁而言，其受载过程分为两个阶段，第一个阶段是内部充气膨胀变形阶段，第二个阶段是结构承受外载变形阶段，第一个阶段为自然构型，该构型下薄膜充气梁为零充气压力的自然状态，第二个阶段为预应力参考构型，这种构型对应薄膜充气梁受内部非零充气压力作用的膨胀变形状态，薄膜充气梁的弯皱特性分析必须建立在预应力参考构型上进行，以考虑充气压力效应。
5.根据权利要求1所述用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型，其特征在于步骤四中的预应力参考构型上充气压力效应的考虑是通过计算薄膜充气梁充压膨胀变形实现的，实现过程为基于弹性理论，圆截面薄膜充气梁充压变形计算得到的预应力构型上的长度&、截面半径A和厚度、为公式十九
6.根据权利要求5所述用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型，其特征在于由薄膜模型公式九、十或薄壳模型公式十六、十七可以发现，两个模型判断结构失效的条件都是 θψ= η，即只有当充气梁环向完全遍布褶皱时结构才失效，结构失效实际发生在早于θψ =η的时刻，即最终失效时的褶皱角9f-w< η，由于薄膜模型是导致过高估计的主要部分，故引入小于1的修正因子α作用于薄膜模型或薄壳模型的薄膜公式上，使壳膜模型预报更接近实际，修正后预应力构型上的预报模型为公式二十三
7.根据权利要求6所述用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型，其特征在于预报模型中的临界压缩应力需要引入充气压力的作用，公式十八是薄壳模型不考虑充气压力作用的临界压缩应力公式，引入充气压力后得到考虑充气压力效应的壳膜模型的临界压缩应力公式为公式二十四
全文摘要
用于薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型，它涉及一种薄膜结构力学和结构屈曲分析的技术领域，以解决现有的薄膜充气梁弯皱特性预报模型过高估计预报值和没有考虑充气压力效应的问题。本发明的建立步骤一、建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄膜模型；二、引入临界压缩应力建立薄膜充气梁弯皱特性预报的薄壳模型；三、根据充气梁受力特性确定自然构型和预应力参考构型；四、在预应力参考构型下引入充气压力效应和修正系数，建立薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型，以降低其对预报值的过高估计，联合引入考虑充气压力效应的临界压缩应力公式得到薄膜充气梁弯皱特性预报的壳膜模型。本发明用于预报薄膜充气梁弯皱特性。
文档编号B81C99/00GK102417158SQ201110293650
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者王长国, 谢军, 谭惠丰 申请人:哈尔滨工业大学