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的专业教材，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、薄膜结构展开过程动力学仿真分析及展开式可展薄膜结构地面试验等八部分。

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。

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