航天器大型梁/薄膜复合结构的冲击响应研究

Beam/membrane composite structures, with the high storage ratio and area-mass ratio, have become the basic structure of space solar power station, solar sail and other large flexural spacecrafts. However, the impact response characteristics of the large beam/membrane composite structure of the spacecraft have not been intensively studied internationally. In this project it is focused on: (1) Impact induced stress wave propagation in the large beam/membrane composite structure of the spacecraft during the initial stage, especially the space-time evolution of the longitudinal and transversal waves in the beam and membrane under the impact conditions; (2) Dynamic instability of the structure during the later stage, including the buckling of the beam and the wrinkling of the membrane; (3) Experimental study of the scale model upon impact load. In this project the method combined stress wave theory, finite element analysis and reduced-scale tests are used. By the systematically study, we will understand the phenomena and laws of different stages during the impact process, obtain the main control parameters of structural impact response, and puts forwards the way of stress wave attenuation and instability prevention, finally provide theoretical and experimental foundation for the engineering design and application of the large beam/membrane composite structure of spacecraft. Research of the project has both scientific significance of exploring the basic rules and practical value in engineering.

梁/薄膜复合结构具有很高的收纳比和面质比，已成为空间太阳能电站和太阳帆等大型柔性航天器的基本结构。然而有关航天器大型梁/薄膜复合结构冲击特性的研究，国际上尚未深入开展。本项目致力于：(1)冲击载荷下航天器大型梁/薄膜复合结构中初始瞬态阶段应力波传播的研究，尤其是冲击加卸载条件下梁与薄膜中纵波与横波的时空演化；(2)后期结构的动态失稳规律，包括梁的屈曲和薄膜的褶皱；(3) 缩比模型的冲击实验。采用应力波理论、有限元数值模拟以及缩比实验相结合方法，通过系统的研究，了解结构在冲击载荷作用下不同阶段的现象和规律，得到结构冲击响应的主要控制参数，提出有效衰减波动与防止失稳的途径，为航天器大型梁/薄膜复合结构工程设计和应用提供理论和实验依据。相关研究既具有探索基础规律的科学意义，又具有一定的工程实用价值。

本项目采用数值模拟和实验方法研究了航天器大型梁/薄膜复合结构的冲击响应，揭示了结构中初始应力波的传播和后期结构振动与失稳的规律。.(1)研究了正方形梁薄膜结构中应力波传播的特征，得到了面内冲击下结构不同构件中纵波、横波等的传播过程，纵杆与横梁连接界面上应力波的反射与透射使得纵波和弯曲波相互转化。分析指出了预应力薄膜对横梁弯曲波的约束作用，得到了薄膜波速和约束强弱的关系，波速越高则约束越强，横梁振动更快的趋于同步。.(2)在模态分析的基础上，研究了面外和面内两种冲击载荷下结构的弹性振动与失稳，得到了载荷方向、幅值、脉宽以及薄膜预应力的影响。梁和薄膜振动相互耦合，不同的冲击方向激起不同的结构振动，改变载荷脉宽可使自由振动振幅达到极大或极小值。.(3)面外冲击下，梁的面外振动频率不随预应力和载荷幅值变化；梁的面内振动与薄膜面外振动一致，随预应力和载荷幅值非线性变化，与薄膜大变形应力增加有关。.(4)面内冲击下，结构响应表现为横梁弯曲振动、纵杆轴向振动和薄膜张拉振动，横梁弯曲振动占主导地位；振动频率高于面外冲击，并且不随预应力变化；预应力薄膜的存在增大了结构频率、减小了横梁振幅，而不是通过增加质量降低结构频率。.(5)轴向载荷下纵杆横向振动是一种屈曲，体现了横梁弯曲振动对纵杆横向振动的影响，可以在撞击端和反射端产生，通过相互作用使得模态在高阶和低阶之间转变，变形可回复。.(6)对充气薄壁梁和薄膜构成的缩比模型进行了实验研究。锤击法冲击振动实验结果表明，梁的基频比薄膜高一个量级，结构整体振动频率前几阶由薄膜控制。准静态实验得到了薄膜挠度、褶皱形态参数随薄膜厚度和预紧力的变化规律。.研究成果可为大型薄膜航天器的设计与运行控制提供借鉴。