Исследование механического поведения упруготрансформируемых композитных конструкций

В работе представлены расчетные и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния композитного упругого шарнира при трансформировании стержневой конструкции. Упругий шарнир представляет собой две совместно работающие ленточные пружины и выполняет функцию актуатора для бесприводного развертывания крупногабаритных космических конструкций. Рассматривались упругие шарниры, различающиеся схемой армирования и формой выреза. Натурные испытания шарнира проводились на специально разработанном стенде, позволяющем проводить его полное складывание и раскладывание и фиксировать величину возникающего шарнирного момента для каждого угла складывания. Картина деформаций для каждого угла регистрировалась с помощью системы фото-, видеофиксации, работающей на основе методики корреляции цифровых изображений (DIC - Digital Image Correlation) VIC 3D. Для идентификации упругих характеристик материалов упругого шарнира были проведены механические испытания для определения модуля Юнга и предела прочности при растяжении и сжатии. Для сокращения объема натурных испытаний была разработана микромеханическая модель материала с учетом свойств армирующего волокна, связующего и типа переплетения в системе Digimat. Верификация микромеханической модели проведена по измеренным характеристикам на растяжение и сжатие. Посредством виртуальных испытаний в системе Digimat были определены остальные механические характеристики материала. Конечно-элементное моделирование процесса складывания-раскладывания шарнира проводилось в системах Ansys Workbench и LS-Dyna. Расчет проводился для различных конструкций шарниров неявным и явным методами. В расчетной модели учитывались явления динамического поведения, геометрической нелинейности, прогрессирующего разрушения и самоконтакта поверхностей шарнира. В результате расчета были определены картина деформаций и максимальный шарнирный момент. Расчетные значения деформаций и шарнирного момента хорошо согласуются с экспериментальными данными. На основании проведенных исследований предложена комплексная расчетно-экспериментальная методика для определения рациональных параметров упругих шарниров композитных трансформируемых конструкций.