[發明專利]高精度充氣膜結構的設計方法

有效

• 申請號: 201210257425.1
• 申請日: 2012-07-24
• 公開（公告）號: CN102799737A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 王長國;崔宇佳;張磊;劉遠鵬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明涉及充氣膜結構(天線、飛艇和充氣翼等)形態分析領域，具體涉及一種高精度充氣膜結構的設計方法。

背景技術

充氣膜結構是指在以高分子材料制成的薄膜制品中充入空氣后而形成具有一定承力性能構形的結構。由于其具有質量輕，折展比大且承載效率高等諸多優點，彰顯出其在航空航天領域應用的優勢，如充氣飛艇，充氣天線和充氣機翼等。但這些充氣結構在正常工作時，對其外形有一定的精度要求，充氣翼和充氣天線的精度要求最高，其次是充氣飛艇，所以需要對其初始形態進行分析。充氣膜結構的充壓變形，是典形的大變形非線性問題，要是直接以設計出的充氣膜結構尺寸進行分析或加工，在加載后則會產生變形，這樣就與我們設計的構形有較大的誤差進而影響計算精度及使用性能，所以有必要根據充氣膜結構目標構形尋找其未加載時的初始形態，而普通的兩維初始形態分析已經不能滿足苛刻的精度要求，需要從三維角度出發，對充氣膜結構進行全方位三維初始形態分析。這樣一種根據目標三維構形，尋找充氣膜結構初始構形的問題在力學中是一個“逆問題”，需要特殊的方法進行研究。本發明中把這種通過逆向迭代來尋找充氣膜結構三維初始形態以確保充氣膜結構充氣加載后具有所設計的功能外形的方法定義為充氣膜結構三維初始形態分析。此外，充氣膜結構三維初始形態分析，對后期充氣膜結構曲面展平，裁剪，拼接等成形過程有著重要的意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種高精度充氣膜結構的設計方法，為了有效的降低充氣膜結構由于充氣大變形引起其外形與設計形之間過大的誤差的問題。

本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是：所述方法包括以下步驟：

步驟一、建立模型：利用實體模型在虛擬條件下建立充氣結構模型，并給出設計形允許存在的誤差大小ζ；

步驟二、劃分網格：首先定義材料屬性，然后用shell?181三角形單元將充氣結構進行離散；

步驟三、邊界條件并加載求解：設置邊界條件，施加邊界載荷后，對模型進行一次充壓膨脹計算，實體模型的固定端、材料及施加的邊界負載作為輸入量；

步驟三一、充氣膜結構的充壓膨脹非線性計算：

假設將充氣膜結構離散為有限單元模型后有m個節點，每步優化對比的對象N_i(X_i，Y_i，Z_i)為第個i(0＜i≤m)節點的目標位置坐標，節點i在X，Y，Z三個方向的位移分別為u_i、v_i、和w_i，充壓膨脹的這些信息則是本方法的輸入量；

步驟三二、節點優化迭代：對模型數據做處理，為第j步優化時，第i個節點的節點坐標加載分析后，節點i的三個方向的位移分別為將變形后節點的位置和目標節點坐標相減，得到該點三個方向的偏差，定義為可以表示為：