Механический анализ складывания ленточной пружины в конструкции гибкого шарнира
Автор: Голдобин Николай Николаевич, Еремин Никита Викторович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.15, 2022 года.
Бесплатный доступ
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.
Гибкий шарнир, ленточная пружина, конечно-элементная модель
Короткий адрес: https://sciup.org/143179349
IDR: 143179349 | УДК: 629.78: | DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.4.31
Mechanical analysis of folding of a tape spring in a flexible hinge design
This paper is devoted to the study of flexible tape-spring hinges at the stage preceding the numerical optimization of their geometrical parameters. This stage involves the development of a parametric computational model and a method for conducting complex mechanical analysis of the tape spring. The paper presents a detailed description of the parametric model and the methods for numerical simulation of flexible tape spring hinges using an elastoplastic material model. The capabilities of the methods for nonlinear strength analysis of folded tape springs are illustrated by a few examples of their practical implementation. The stability bounds of the tape spring model are determined by the method of finite element modeling, as well as ways to simplify the calculation model. It has been found that in the numerical simulation of folding stresses, the maximum rotation of the free edge of the tape can be restricted to 30°, at which the stress limit is reached. This makes it possible to reduce the time of the numerical experiment by about 3 times. It is shown that the bilinear model of isotropic hardening of the tape material can be replaced by the linear elastic model, since during the parametric optimization the yield strength is set as a criterion. The use of the linear elastic material model makes it possible to distribute computational resources more effectively. The results of this study will be used in further research for developing a parametric optimization scheme that provides an automated search for the most rational designs of flexible tape-spring hinges.
Список литературы Механический анализ складывания ленточной пружины в конструкции гибкого шарнира
- 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.
