双稳态复合材料壳可展开空间结构的非线性热-动力学特性研究

Bistable composite shell is stable in both the extended and rolled-up configurations. It has been the focus of research in aerospace science and technology, due to that the size, weight, and complexity of the constraint mechanism in the deployable space structures can be reduced significantly by means of its bistable behavior. This project based on the absolute nodal coordinate formulation, is concerned with the nonlinear thermal-dynamic coupling characteristics of deployable space structures made by the bistable composite shells under thermal space environment, by using theoretical modeling and numerical simulation. A quasi-static thermal viscoelastic model will be firstly developed in order to study the mechanical behavior of bistable composite shells under thermal loading. Afterwards, a dynamic thermal viscoelastic model will be proposed to study the nonlinear thermal-dynamic coupling characteristics of deployable structures composed of bistalbe composite shells during and after deployment, in which the coupling effect between the heat transfer and the dynamics is very strong. In addition, the mechanism of thermally induced vibrations will be illustrated for bistable composite shells. The project will significantly promote the structure design and related investigations.

双稳态复合材料壳具有伸展和卷拢都稳定的特性，应用于可展开空间结构可显著降低约束装置的尺寸、重量和复杂度，已经成为航天科技工程的前沿热点。本课题基于绝对节点坐标方法，通过理论建模和数值仿真相结合的途径研究空间热环境下双稳态复合材料壳可展开空间结构的非线性热-动力学特性。主要内容包括：发展新的准静态热粘弹性模型，研究热效应对双稳态复合材料壳力学行为的影响；提出传热学与动力学高度耦合的动态热粘弹性模型，研究双稳态复合材料壳可展开空间结构展开过程和展开之后的非线性热-动力学特性，并阐明双稳态复合材料壳的热致振动机理。该课题对提高双稳态复合材料壳可展开空间结构的设计水平，促进航天器热-动力学领域的研究有重要意义。

双稳态复合材料壳因其双稳态性能可显著降低可展开结构中约束装置的尺寸、重量和复杂度等优点，在航天领域具有广泛的应用前景。作为一种新型可展开空间结构，其在空间热环境下的动力学特性是一个有待研究的课题。本项目主要研究了粘弹性效应和热效应对双稳态复合材料壳动力学行为的影响,主要成果如下：提出了一种积分型粘弹性绝对节点坐标单元的建模方法，同时给出了含记忆积分和高度非线性刚度矩阵的积分型粘弹性力的高效求解算法，进一步完善了绝对节点坐标法中的粘弹性理论；提出了一种基于绝对节点坐标法并采用Lagrange描述的轴向可伸缩梁单元的建模方法，推导了此类单元的伪刚度和伪阻尼矩阵，丰富了绝对节点坐标法的单元库类型；首次将热-弹性耦合效应引入到航天器结构的热致振动分析中，加强了此类问题的基础理论研究工作。此外，为了研究粘弹性效应对双稳态复合材料壳卷拢构形的影响，建立了叠层复合材料壳的粘弹性动力学分析模型；为了研究双稳态复合材料壳展开过程中受太阳辐射热流作用而诱发的动力学行为，建立了传热与结构展开高度耦合的热-动力学分析模型；为了研究双稳态复合材料壳展开之后的热致振动问题，建立了考虑刚-柔、热-弹性和热-结构三重耦合效应的动力学分析模型。重要结果如下：粘弹性效应会显著降低双稳态复合材料壳的卷拢半径和翘曲位移；热冲击对轴向展开薄壁结构的动力学响应产生了较大影响；当系统阻尼比较小时，热-弹性耦合效应会明显改变热致振动的稳定性区间。研究成果在复合材料TOP期刊Composite Structures和宇航类顶级期刊AIAA Journal等SCI检索期刊发表论文4篇，在中文核心期刊《固体力学学报》发表论文1篇。