[发明专利]高精度充气膜结构的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及充气膜结构(天线、飞艇和充气翼等)形态分析领域，具体涉及一种高精度充气膜结构的设计方法。

背景技术

充气膜结构是指在以高分子材料制成的薄膜制品中充入空气后而形成具有一定承力性能构形的结构。由于其具有质量轻，折展比大且承载效率高等诸多优点，彰显出其在航空航天领域应用的优势，如充气飞艇，充气天线和充气机翼等。但这些充气结构在正常工作时，对其外形有一定的精度要求，充气翼和充气天线的精度要求最高，其次是充气飞艇，所以需要对其初始形态进行分析。充气膜结构的充压变形，是典形的大变形非线性问题，要是直接以设计出的充气膜结构尺寸进行分析或加工，在加载后则会产生变形，这样就与我们设计的构形有较大的误差进而影响计算精度及使用性能，所以有必要根据充气膜结构目标构形寻找其未加载时的初始形态，而普通的两维初始形态分析已经不能满足苛刻的精度要求，需要从三维角度出发，对充气膜结构进行全方位三维初始形态分析。这样一种根据目标三维构形，寻找充气膜结构初始构形的问题在力学中是一个“逆问题”，需要特殊的方法进行研究。本发明中把这种通过逆向迭代来寻找充气膜结构三维初始形态以确保充气膜结构充气加载后具有所设计的功能外形的方法定义为充气膜结构三维初始形态分析。此外，充气膜结构三维初始形态分析，对后期充气膜结构曲面展平，裁剪，拼接等成形过程有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度充气膜结构的设计方法，为了有效的降低充气膜结构由于充气大变形引起其外形与设计形之间过大的误差的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述方法包括以下步骤：

步骤一、建立模型：利用实体模型在虚拟条件下建立充气结构模型，并给出设计形允许存在的误差大小ζ；

步骤二、划分网格：首先定义材料属性，然后用shell 181三角形单元将充气结构进行离散；

步骤三、边界条件并加载求解：设置边界条件，施加边界载荷后，对模型进行一次充压膨胀计算，实体模型的固定端、材料及施加的边界负载作为输入量；

步骤三一、充气膜结构的充压膨胀非线性计算：

假设将充气膜结构离散为有限单元模型后有m个节点，每步优化对比的对象N_i(X_i，Y_i，Z_i)为第个i(0＜i≤m)节点的目标位置坐标，节点i在X，Y，Z三个方向的位移分别为u_i、v_i、和w_i，充压膨胀的这些信息则是本方法的输入量；

步骤三二、节点优化迭代：对模型数据做处理，为第j步优化时，第i个节点的节点坐标加载分析后，节点i的三个方向的位移分别为将变形后节点的位置和目标节点坐标相减，得到该点三个方向的偏差，定义为可以表示为：