《考慮熱力耦合作用的薄膜褶皺分析穩定化算法研究》是依託重慶大學,由張亮擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名:考慮熱力耦合作用的薄膜褶皺分析穩定化算法研究
- 項目類別:青年科學基金項目
- 項目負責人:張亮
- 依託單位:重慶大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
柔性薄膜已經被用作太陽能電池帆板和充氣反射天線等關鍵太空飛行器部件,並且需要在熱力耦合環境下服役。褶皺是薄膜結構的一種典型的非線性變形模式,數值算法的穩定性對於實現薄膜褶皺變形的高效數值模擬至關重要。本項目將基於參變數變分原理和有限單元法,開展熱力耦合作用下薄膜褶皺變形精細分析的穩定化計算方法研究。首先,建立各向異性雙模量材料的熱力耦合模型及參變數變分原理,發展穩定的二次規划算法。其次,結合修正的雙模量材料模型和薄殼穩定性理論,建立能夠獲取褶皺數目、幅值和波長的簡化有限元模型。將該模型嵌入已發展的二次規划算法中,通過求解互補問題來確定單元的張緊、褶皺或鬆弛狀態,從而改善算法穩定性,實現熱力耦合作用下薄膜褶皺變形的高效數值模擬。進行薄膜褶皺典型實驗,以驗證模型與算法的正確性。最後,利用所發展的穩定化算法研究褶皺形成和發展的機理,為褶皺抑制方案的設計提供科學依據。
結題摘要
柔性薄膜已經被用作太陽能電池帆板和充氣反射天線等關鍵太空飛行器部件,並且需要在熱力耦合環境下服役。褶皺是薄膜結構的一種典型的非線性變形模式,數值算法的穩定性對於實現薄膜褶皺變形的高效數值模擬至關重要。課題組首先測量了不同溫度條件下薄膜材料的楊氏模量。進行了薄膜褶皺變形的三維散斑實驗,測量了方形薄膜在對角拉伸條件下的全場三維變形形貌和應變場,定量地研究了褶皺幅值與波長隨拉力、溫度變化的變化規律。研究表明,在相同機械載荷作用下,溫度越高,褶皺幅值越大。基於參變數變分原理,建立了三維雙模量材料的最小勢能表達式,通過變分計算和有限元離散,得了問題的有限元平衡方程,將原問題轉化為標準的互補問題,很好地提高了該類問題非線性分析的算法收斂性和穩定性。該材料模型和算法被成功地套用到薄膜褶皺變形分析。利用ABAQUS軟體,建立了多種形狀的薄殼有限元模型,對薄殼進行了後屈曲分析,得到了褶皺變形形貌。將實驗結果、ABAQUS模擬結果、程式計算結果三者進行了定量比較。室溫條件下,三種結果在褶皺區域、方向、應力水平等指標上吻合良好。高溫條件下薄膜褶皺變形的數值模擬並不能很好地重現實驗所觀測到的結果,有待進一步研究改進。對於具有大規模計算自由度的系統,算法的計算效率有待提高。