Механический анализ складывания ленточной пружины в конструкции гибкого шарнира

Авторы

  • Николай Николаевич Голдобин Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
  • Никита Викторович Еремин Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева; Федеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий

DOI:

https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.4.31

Ключевые слова:

гибкий шарнир, ленточная пружина, конечно-элементная модель

Аннотация

Исследование посвящено этапу, предшествующему проведению численной оптимизации геометрических параметров гибкого шарнира с ленточными пружинами. Этап включает разработку параметрической расчетной модели и методики проведения на ее основе комплексного механического анализа ленточной пружины. Работа содержит подробное описание как самой параметрической модели, так и методов расчета ленточных пружин с упругопластической моделью материала, используемых в конструкциях гибких шарниров. Представлены приемы практического выполнения прочностного нелинейного расчета напряжений при складывании ленты, определены пределы устойчивости модели ленточной пружины посредством конечно-элементного моделирования, а также способы упрощения расчетной модели. Установлено, что максимальный поворот свободного ребра ленты в расчете ее напряжений в процессе складывания может быть ограничен значением 30°, при котором достигается предел роста напряжений. Это позволит сократить время проведения численного эксперимента с целью оптимизации конструкции гибкого шарнира с ленточными пружинами примерно в 3 раза. Показано, что билинейная модель изотропного упрочнения материала ленты может заменяться линейно-упругой, поскольку предел текучести при параметрической оптимизации задается в качестве критерия. Переход к линейно-упругой модели материала также даст возможность более эффективно распределить вычислительные ресурсы. Полученные результаты в дальнейшем будут применяться при разработке схемы проведения параметрической оптимизации с автоматизированным поиском наиболее рациональных конструктивных решений гибких шарниров с ленточными пружинами.

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.
Поддерживающие организации
Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России «Интеллектуальные материалы и структуры» проекта «Разработка многофункциональных интеллектуальных материалов и структур на основе модифицированных полимерных композиционных материалов, способных функционировать в экстремальных условиях» (номер темы FEFE-2020-0015).

Библиографические ссылки

Thill C., Etches J., Bond I., Potter K., Weaver P. Morphing skins // Aeronaut J. 2008. Vol. 112. P. 117-139. https://doi.org/10.1017/S0001924000002062

Qi X., Huang H., Li B., Deng Z. A large ring deployable mechanism for space satellite antenna // Aero. Sci. Tech. 2016. Vol. 58. P. 498-510. https://doi.org/10.1016/j.ast.2016.09.014

Pellegrino S., Green C., Guest S.D., What A. SAR advanced deployable structures. Cambridge University Engineering Department, 2000. 57 p. https://www.academia.edu/75794516/SAR_advanced_deployable_structure

Givois D., Sicre J., Mazoyer T. A low cost hinge for appendices deployment: design, test and applications // Proc. of the 9th European Space Mechanisms & Tribology Symposium, Liège, Belgium, September 19-21, 2001. P. 145-151.

Höhn P. Design, construction and validation of an articulated solar panel for CubeSats. Lulea University of Technology, Master Thesis, 2010. 86 p.

Ranade A.R., Kulkarni S.S. Modeling deployment of tape spring antennas and its effects on CubeSat Dynamics // Proc. of the 2nd National Conference on Small Satellite Technology and Applications, Trivandrum, Kerala, India, December 11-12, 2020. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.14611.50729

Kim D.-Y., Choi H.-S., Lim J.H., Kim K.-W., Jeong J. Experimental and numerical investigation of solar panels deployment with tape spring hinges having nonlinear hysteresis with friction compensation // Appl. Sci. 2020. Vol. 10. 7902. https://doi.org/10.3390/app10217902

Tupper M., Munshi N., Beavers F., Gall K., Mikuls M., Meink T. Developments in elastic memory composite materials for spacecraft deployable structures // 2001 IEEE Aerospace Conference Proceedings. 2001. Vol. 5. P. 2541-2547. https://doi.org/10.1109/AERO.2001.931215

Jeong J.W., Yoo Y.I., Lee J.J., Lim J.H., Kim K.W. Development of a tape spring hinge with a SMA latch for a satellite solar array deployment using the independence axiom // IERI Procedia. 2012. Vol. 1. P. 225-231. https://doi.org/10.1016/j.ieri.2012.06.035

ANSYS Academic Research Mechanical, Help System, Workbench User's Guide, ANSYS, Inc. https://ansyshelp.ansys.com

Gallagher R.H. The finite element method. Fundamentals. Prentice-Hall, 1975. 420 p.

Zienkiewicz O.C. The finite element method in engineering science. McGraw-Hill, 1971. 521 p.

Timoshenko S. Strength of materials. Part I. Elementary theory and problems. D. Van Nostrand Company Inc., 1930. 360 p.

ANSYS Academic Research Mechanical, Help System, Mechanical APDL, ANSYS, Inc.

Голдобин Н.Н., Сапегин А.М. Расчет упругого складывания стальной ленточной пружины гибкого шарнира // Решетневские чтения. Красноярск, 2021. Ч. 1. С. 71-72.

Timoshenko S. Strength of Materials. Part II. Advanced theory and problems. D. Van Nostrand Company Inc., 1930. 510 p.

Загрузки

Опубликован

2023-01-12

Выпуск

Раздел

Статьи

Как цитировать

Голдобин, Н. Н., & Еремин, Н. В. (2023). Механический анализ складывания ленточной пружины в конструкции гибкого шарнира. Вычислительная механика сплошных сред, 15(4), 409-417. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.4.31