Моделирование механических свойств элементов надувных космических антенн из эпоксидного препрега
Автор: Олег Константинович Гаришин, Александр Геннадьевич Пелевин
Журнал: Вестник Пермского университета. Математика. Механика. Информатика @vestnik-psu-mmi
Рубрика: Механика
Статья в выпуске: 2 (73), 2026 года.
Бесплатный доступ
Предложена методика вычисления эффективных упругих свойств тканевых композитов из отвержденных эпоксидных препрегов с комплексным учетом особенностей неоднородности структуры таких композитных систем (механические свойства нитей ткани и эпоксидного связующего, геометрия нитей, тип плетения ткани, концентрация связующего). Она основана на использовании конечно-элементного пакета ANSYS и специализированного программного модуля "ANSYS material designer". Этот модуль позволяет строить сложные трехмерные конечно-элементные сетки для задаваемых расчетчиком различных тканевых плетений, используя комбинации из простых блоков и автоматически вычислять соответствующие эффективные механические константы таких материалов (линейно упругие). Надежность данного подхода проверена на решении трех тестовых краевых задач об изгибе консольной балки в виде тонкой пластины: 1) 3D балка из препрега как композитного материала со всеми особенностями его внутреннего строения; 2) 3D балка из однородного анизотропного материала с эффективными механическими характеристиками, рассчитанными для препрега предлагаемой методике материала; 3) 2D балка в виде анизотропной оболочки с теми же упругими характеристиками, что и для второго варианта. Расхождение по изгибу для всех вариантов составило меньше одного процента. Также проведен расчет изгиба трубчатой стойки надувной антенны эпоксидного препрега, предназначенной для искусственного наноспутника Земли из эпоксидного препрега и проведено сравнение ее массы относительно аналогичной трубы из алюминия, обладающей такими же "изгибными" характеристиками. Сравнение показало, что выигрыш по массе при использовании препрега может составлять примерно 20%.
Эпоксидные препреги, структура препрегов, эффективные механические характеристики препрега, изгиб трубы из препрега, надувные космические антенны, механическая анизотропия, упругость, метод конечных элементов
Короткий адрес: https://sciup.org/147254418
IDR: 147254418 | УДК: 539.3:678 | DOI: 10.17072/1993-0550-2026-2-59-74
Modeling the Mechanical Properties of Inflatable Space Antenna Elements Made of Epoxy Prepreg
A method for calculating the epoxy prepregs effective elastic properties, taking into account the inner structure of such composite systems (mechanical properties of fabric threads and epoxy binder, thread geometry, fabric weaving type, binder concentration) is proposed. It is based on the use of ANSYS finite element package and the specialized soft-ware module "ANSYS Material Designer." This module allows for the creation of complex 3D finite element meshes for various fabric weaves, using a combination of some simple standard blocks and automatically calculates the corresponding mechanical constants of such materials (linear elasticity). The reliability of this approach was verified by solving three test boundary value problems on the bending of a cantilever beam in the form of a thin plate: 1) 3D beam made of prepreg as a composite material with all the features of its internal struc-ture; 2) a 3D beam made of a homogeneous anisotropic material with effective mechanical characteristics calculated for the prepreg using the proposed material method; 3) 2D beam in the form of an anisotropic shell with the same elastic characteristics as for the second case. The boundary value problem of bending of a tubular strut for inflatable antenna made of epoxy prepreg, intended for an artificial Earth nanosatellite was also solved, and prepreg strut mass was compared with a similar aluminum tube having the same bending character-istics. The comparison showed that the mass reduction could be approximately 20% in case of prepreg using.
