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| 編輯推薦： |
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空间可展薄膜结构是近年来国际上出现的新型可展结构，具有优势明显，在未来空间探测中具有很好的应用前景，如大型薄膜天线、柔性太阳能电池阵、太阳帆、遮光罩、充气防护盾、返回减速器等。大型薄膜结构具有超低频率、密集模态、局部模态、强非线性、几何大变形与高柔性等一系列特点，其动力学特性及控制方法是宇航空间机构研究领域的一个重要研究课题。本书正是基于此开发的，结合作者团队多年的研究成果，详细介绍空间薄膜可展开机构及动力学控制。主要内容包括：角点张拉的应力叠加方法、基于应力叠加法的结构模态分析方法及张拉薄膜结构应力分布仿真验证；张拉薄膜结构张拉与结构参数对系统应力分布的影响规律、薄膜结构自由振动非线性动力学模型建立、薄膜结构实验设计与验证方法；薄膜结构折展过程的动力学建模与仿真分析方法；弹性伸杆应变能模型建立、伸杆展开失效机理及弹性伸杆卷绕段层间接触力分析方法；弹性伸杆驱动力建模方法、展开性能分析及伸杆力学性能实验验证；包含弹性伸杆和张拉薄膜结构的空间大型轻质平面薄膜结构设计及刚柔耦合动力学分析方法；空间杆-索-膜复合式三棱柱式可展薄膜天线机构设计、系统动力学建模及系统优化设计方法；建立了大型薄壁梁
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| 內容簡介： |
航天器张拉式可展开薄膜结构具有轻质、大折展比、比刚度高等优点，是一个新兴的研究领域，随着人类探索能力的不断提升，该领域将会出现更多创新性的理论、方法和技术。本书是面向航天器张拉式可展开薄膜结构设计与应用的专业著作，重点介绍了航天器张拉式可展开薄膜结构的设计方法和相关特性分析方法，内容包括航天器张拉式可展开薄膜结构的发展历史及现状、张拉式薄膜结构的展开与折叠方法、弹性大变形支撑结构的设计与分析、张拉薄膜结构预应力研究与分析、张拉薄膜结构动力学特性、薄膜褶皱解析模型建立及验证、薄膜结构折展过程动力学仿真分析及张拉式可展开薄膜结构的地面试验等。
本书适用于航空航天、空间工程、机械设计等相关领域科研人员，也可供相关专业高年级本科生和研究生学习使用。
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| 關於作者： |
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史创，哈尔滨工业大学，讲师，史创，男，汉族，1990年生，山西偏关人，中共党员，师资博后（讲师），硕士研究生导师。主要从事空间折展机构设计、机构构型综合、机构动力学建模与仿真方面的研究工作。发表SCI论文13篇(中科院 1区 TOP 6篇），发表EI源论文13篇。获得国家授权发明专利20余项，参与编写学术专著《空间可展开天线机构创新设计》。主持国家自然科学基金青年项目1项、机器人技术与系统国家重点实验室（哈尔滨工业大学）自主课题项目1项，国家博士后基金面上项目1项，黑龙江省博士后面上项目1项、空间结构与机构重点实验室开放课题项目1项及横向项目6项。参与民用航天预研项目6项，国家自然科学基金重点项目2项，面上项目2项。
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| 目錄：
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第1章 绪论 1
1.1 概述2
1.2 航天器张拉式可展开薄膜结构应用现状3
1.2.1 太阳能电池阵与空间太阳能电站3
1.2.2 太阳帆5
1.2.3 薄膜天线7
1.2.4 薄膜遮阳屏与遮光罩10
1.3 张拉式薄膜结构力学研究现状12
1.3.1 薄膜结构预应力分析12
1.3.2 张拉式薄膜结构展开过程动力学14
1.3.3 张拉式薄膜结构展开态动力学15
1.3.4 张拉式薄膜结构褶皱分析18
1.3.5 薄膜结构热变形分析19
1.4 薄膜结构折叠与展开技术研究现状20
1.4.1 薄膜结构折叠技术20
1.4.2 轻质弹性展开驱动技术22
1.4.3 薄膜结构张拉成型技术25
1.5 薄膜结构地面测试技术研究现状26
参考文献31
第2章 张拉式薄膜结构的展开与折叠方法 41
2.1 概述42
2.2 张拉式薄膜结构展开方法42
2.2.1 弹性伸杆驱动可展开支撑桁架42
2.2.2 套筒驱动可展开支撑桁架44
2.2.3 串并联铰接式桁架49
2.3 张拉式薄膜结构折叠方法60
2.3.1 平面薄膜折叠与张拉61
2.3.2 圆柱形薄膜折叠与张拉63
2.3.3 圆台面薄膜折叠与张拉67
2.3.4 抛物面薄膜折叠与张拉70
2.4 张拉式薄膜结构张拉方法76
2.4.1 大尺寸薄膜结构张拉成型方案设计76
2.4.2 传统悬线张拉方案78
2.4.3 网状悬线张拉方案80
参考文献81
第3章 弹性大变形支撑结构的设计与分析 83
3.1 概述84
3.2 弹性伸杆材料力学模型建立85
3.3 弹性伸杆展开应变能模型建立88
3.3.1 薄壁圆管应力-应变分析88
3.3.2 薄壁圆管横截面微元应变能分析91
3.3.3 薄壁圆管应变能模型93
3.4 弹性伸杆展开过程分析94
3.4.1 弹性伸杆展开机理分析94
3.4.2 弹性伸杆正常展开分析96
3.4.3 弹性伸杆松脱失效分析97
3.4.4 弹性伸杆端部力分析100
3.5 弹性伸杆展开应变能模型建立103
3.5.1 实验样机研制与测试系统搭建103
3.5.2 弹性伸杆松脱过程实验106
3.5.3 弹性伸杆展开过程实验109
参考文献111
第4章 张拉薄膜结构预应力研究与分析 112
4.1 概述113
4.2 基于应力叠加法的张拉薄膜结构预应力分析113
4.2.1 角点张拉矩形薄膜的应力叠加113
4.2.2 多点张拉矩形薄膜的应力叠加119
4.2.3 张拉薄膜应力分布仿真验证129
4.3 张拉薄膜结构找形研究134
4.3.1 找形分析134
4.3.2 通过找形分析对比张拉系统137
4.3.3 平衡状态的理论分析148
4.3.4 足尺平面薄膜找形分析151
参考文献153
第5章 张拉薄膜结构动力学研究与分析 154
5.1 概述155
5.2 基于张拉薄膜结构应力叠加法的自由振动分析155
5.2.1 张拉薄膜结构的自由振动方程155
5.2.2 基于应力叠加法的结构模态分析流程159
5.2.3 张拉薄膜结构模态特性分析161
5.3 张拉薄膜结构非线性动力学研究167
5.3.1 薄膜结构自由振动非线性动力学模型167
5.3.2 薄膜结构非线性自由振动仿真分析171
5.3.3 薄膜结构自由振动试验设计与分析174
5.4 张拉薄膜结构刚柔耦合动力学研究179
5.4.1 平面薄膜结构耦合动力学建模180
5.4.2 平面薄膜结构耦合动力学特性仿真分析188
参考文献192
第6章 薄膜褶皱解析模型的建立及验证 193
6.1 概述194
6.2 应力场模型建立194
6.2.1 楔形应力场194
6.2.2 分段应力场195
6.3 基于分段应力场的薄膜褶皱解析模型建立196
6.3.1 角点褶皱解析模型196
6.3.2 参数影响规律研究201
6.3.3 三角形薄膜褶皱解析模型建立202
6.4 三角形薄膜褶皱仿真分析204
6.4.1 三角形薄膜褶皱数值分析204
6.4.2 三角形薄膜褶皱试验测试分析206
6.4.3 结果对比与讨论207
6.5 方形薄膜褶皱仿真分析210
6.5.1 方形薄膜褶皱分析理论210
6.5.2 方形薄膜褶皱的仿真分析213
6.5.3 方形薄膜褶皱分析结果对比215
6.5.4 拉力对薄膜褶皱的影响分析220
6.5.5 边索结构对薄膜褶皱的影响分析223
参考文献226
第7章 薄膜结构折展过程动力学仿真分析 228
7.1 概述229
7.2 薄膜结构折痕与基本单元展开仿真229
7.2.1 张拉薄膜结构的自由振动方程229
7.2.2 Miura模态分析流程233
7.2.3 加载点数量对展开过程的影响238
7.3 平面薄膜结构径向展开过程仿真239
7.3.1 折叠方案239
7.3.2 薄膜结构径向展开过程仿真240
7.3.3 不同参数方案展开过程仿真242
7.4 平面薄膜结构缠绕展开过程仿真245
7.4.1 折叠方案245
7.4.2 缠绕展开过程建模及仿真分析246
7.4.3 不同折痕方案展开过程仿真分析251
7.5 平面薄膜结构缠绕折叠过程仿真253
7.5.1 缠绕折叠构型铰接杆系模型253
7.5.2 缠绕折叠构型折叠过程仿真255
7.5.3 缠绕折叠构型减少驱动点仿真258
参考文献261
第8章 张拉式可展开薄膜结构的地面试验 263
8.1 概述264
8.2 模拟零重力展开试验264
8.2.1 地面重力补偿设备的设计原则264
8.2.2 模拟零重力方法265
8.2.3 张拉式薄膜可展开结构模拟零重力展开设计实例266
8.3 地面模态试验272
8.3.1 模态测试方法及测试程序272
8.3.2 张拉式薄膜结构模态测试实例273
8.4 精度测试279
8.4.1 精度测试要求及常用测试方法279
8.4.2 精度参数测量方法及数据处理281
8.4.3 张拉式薄膜结构型面精度测试实例282
参考文献285
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| 內容試閱：
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随着空间任务的复杂化和精细化，对超大型、轻量化的可展开结构的需求越来越迫切，如大容量卫星通信需要应用面积达数百平方米的超大型可展开天线；空间太阳能电站计划的大面积太阳能电池阵长度将达到公里级。而空间可展开薄膜结构是近年来国际上出现的新型可展开结构与机构，与刚性桁架可展开机构相比，其优势明显，具有尺度大、质量小、收拢体积小等优点。近年来，可展开薄膜结构在空间任务中已成功应用，如大型薄膜天线、柔性太阳能电池阵、太阳帆、遮光罩、充气防护盾等，可展开薄膜结构已成为航天器技术的重要发展方向。
空间薄膜可展开结构通常由薄膜、展开支撑结构和张拉系统组成，薄膜通过柔索与展开支撑结构相连，通过对柔索施加预张力，获得薄膜的结构刚度与型面精度。在收拢状态下，薄膜可折叠成很小的体积，以满足火箭发射的包络要求。在航天器入轨后，展开支撑结构带动薄膜展开，并为薄膜结构提供刚性支撑。因此，空间薄膜可展开结构是集薄膜、展开机构、柔索为一体的刚柔耦合系统，传统的空间可展开结构与机构的设计理论与方法并不适用，展开支撑结构一般采用复合材料弹性伸杆，而不是桁架式可展开机构。大型薄膜可展开机构具有柔性大、模态密集的特点，其动力学行为十分复杂，梁、索、膜三者的动力学特性存在相互耦合问题，因此建立空间大型可展开薄膜的刚柔耦合非线性动力学模型十分重要。薄膜在展开状态极易产生褶皱，影响薄膜工作面的型面精度，其原因在于薄膜内应力分布不均匀，张拉点布局方式、张拉约束边界形状、柔索预紧力等都对薄膜内应力分布和薄膜褶皱产生重要影响，需要建立薄膜褶皱解析模型，揭示薄膜褶皱产生机理，提出薄膜褶皱消减方法。大型可展开薄膜结构地面试验与测试方法尚不成熟，传统的接触式测量变形与振动的方法已不适用，需要采用非接触测量方法来测试其型面精度和振动响应，而且大气和地球重力对薄膜结构动力学特性的影响不容忽视，如何在真空、高低温交变、模拟微重力环境下开展可展开薄膜结构性能测试与试验是亟须解决的关键问题。
本书主要包括航天器张拉式可展开薄膜结构的展开与折叠方法、弹性伸杆设计与分析、张拉结构预应力找形分析、非线性动力学建模与仿真、褶皱解析模型、地面模拟试验与测试等内容。第1章介绍航天器张拉式可展开薄膜结构的应用、研究现状与关键技术；第2章论述张拉式薄膜结构展开方法、折叠方法与张拉设计；第3章建立弹性伸杆材料力学模型，分析弹性伸杆展开过程，实验验证弹性伸杆力学性能；第4章介绍张拉薄膜结构预应力分析方法与找形方法；第5章基于应力叠加法分析张拉薄膜结构的自由振动，建立薄膜结构刚柔耦合非线性动力学模型；第6章建立张拉薄膜结构应力场模型和薄膜褶皱解析模型，开展三角形薄膜褶皱仿真分析与试验测试；第7章对薄膜结构的折痕、径向展开过程、缠绕展开及折叠过程等进行仿真分析；第8章介绍可展开薄膜结构零重力模拟、模态测试、精度测试等内容。
本书第1、8章由从强撰写，第2、3章由史创撰写，第6章由刘荣强撰写，第4章由郭宏伟、项平撰写，第5章由从强、李冰岩、邱慧撰写，第7章由林秋红、蔡建国撰写，张静、王思聪、唐愉真、郑志刚、张月等参与了撰写工作，范小东、王浩、何宇航等完成了本书文字与图表的整理工作，在此对为本书撰写付出努力的各位专家、同事和研究生们一并表示感谢!
本书所涉及的研究工作得到了国家自然科学基金重点项目“空间大型薄膜无铰链轻质可展机构设计基础理论与方法”(项目编号：51835002)的资助，在此对资助单位表示感谢!
由于笔者水平所限，书中难免存在疏漏或不当之处，恳请读者批评指正。
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