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ZHANG Wenyao1,2,SHI Chuang1,2,GUO Hongwei1,2,LIU Rongqiang1,2,*
摘要: 柔性太阳翼、薄膜天线等以张拉薄膜为核心部件的航天结构对应力变化高度敏感,在压缩载荷下容易出现褶皱。为构建更为精确的应力场解析模型,提出了一种基于叠加原理的用于精确分析角点张拉薄膜的自由振动的应力补偿法。首先基于由集中力引起的径向应力分布模型,建立了角点张拉薄膜的初始应力场模型。依据角点张拉薄膜的边界自由的特点,提出了通过在薄膜边界施加与初始应力场模型边界法向应力等值反向的虚拟外部载荷对初始应力场进行补偿修正的方法。在综合考虑膜的几何刚度、网格生成策略及空气附加质量的基础上,建立了张拉方形薄膜的自由振动模型,并通过将应力补偿法的计算结果与有限元仿真数据及NASA公布的实验报告进行对比验证模型的有效性。结果表明,通过应力补偿法获得的中心点第一主应力和第二主应力相较基准有限元结果的相对误差分别为0.93%与2.15%,表明应力构建精度较高。在模态分析方面,第1阶固有频率的理论计算值相对实验测量值的误差为4.6%,具有良好的准确性;在高阶频率中,如第5阶,理论计算的误差为27.7%,仍能保持较好的一致性,进一步验证了该方法在多阶振动预测中的有效性与适用性。综上所述,应力补偿法可有效构建物理合理的初始应力场,其应力场分布平滑且边界过渡自然,显著提升了模态分析的准确性,具有良好的工程实用性与推广价值。可为柔性太阳翼和薄膜天线等航天结构的设计与动态性能预测提供可靠的理论支持与技术支撑。