气固耦合作用下空间折叠薄膜管的充气展开动力学研究

充气展开结构在实现空间结构的大型化和轻量化中起到重要的作用，而折叠薄膜管的气固耦合作用对充气展开动力学有着本质的影响。为了空间折叠薄膜管能更好地应用，就迫切需要建立完整的理论体系与实验方法来描述气固耦合作用下展开动力学过程。本项目主要采用任意拉格朗日欧拉描述方法，建立空间折叠薄膜管充气展开过程中的气固耦合系统动力学模型。采用算子分裂算法，解决空间折叠薄膜管充气展开过程中大位移、小应变耦合界面的非线性气固耦合问题；并构建等效微重力实验系统，研究充气速率、展开端的惯性质量、几何尺寸以及初始折叠角度等不同因素对折叠薄膜管展开动力学的影响规律。研究成果将揭示空间充气展开结构在充气展开过程中的气固耦合机理，实现对充气展开结构在空间充气展开过程的精确控制。

充气展开结构在实现空间结构的大型化和轻量化中起到重要作用，而折叠薄膜管的气固耦合作用对认识充气展开结构的动力学特性有重要意义。本项目针对研究目标，解决了大位移、小应变耦合界面的非线性气固耦合关键科学问题，并按照进度完成了项目申请书中规定的全部研究内容。具体为本项目主要采用采用任意拉格朗日欧拉描述方法，建立空间折叠薄膜管充气展开过程中的气固耦合系统动力学模型，采用算子分裂算法，解决空间折叠薄膜管充气展开过程中大位移、小应变耦合界面的非线性气固耦合问题；构建等效微重力实验系统，研究充气速率、展开端的惯性质量、几何尺寸以及初始折叠角度等不同因素对折叠薄膜管的展开动力学的影响规律。主要完成三个研究计划要点，即空间折叠薄膜管在不同条件下的展开动力学特性研究，空间折叠薄膜管充气展开过程中气固耦合机理研究，大位移、小应变耦合界面的非线性气固耦合模型研究。通过本项目的研究取得成果主要有，设计了空间折叠薄膜管微重力环境下的充气展开实验方案，并建立一套完整的实验系统，完成折叠薄膜管在空间微重力环境下的实时、全场的充气展开动力学行为研究；建立了折叠薄膜管的充气展开过程中气固耦合的数值分析模型，给出折叠薄膜管内流场变化特点，并编写了相应的数值分析程序；建立折叠薄膜管的最大展开速度与充气流量、薄膜管的几何尺寸、以及展开端的惯性质量之间的影响关系与充气展开运动规律。发表薄膜动力学与流固耦合力学相关论文12篇，其中EI或SCI检索论文5篇，申请国家发明专利6项，培养硕士研究生1名。