某浮空器抓手結(jié)構(gòu)力學性能仿真與試驗*

張 平，王平安

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088；2. 國家級工業(yè)設(shè)計中心， 安徽 合肥 230088)

某浮空器抓手結(jié)構(gòu)力學性能仿真與試驗*

張 平1,2，王平安1,2

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088；2. 國家級工業(yè)設(shè)計中心， 安徽 合肥 230088)

浮空器抓手結(jié)構(gòu)對維持囊體在外載荷下的平衡與穩(wěn)定起關(guān)鍵作用。文中提出了一種基于褶皺仿真的浮空器抓手結(jié)構(gòu)力學性能分析方法。以尾翼梯形抓手為研究對象，建立其有限元模型與主要力學參數(shù)。對尾翼抓手在面內(nèi)拉伸載荷下的變形機理進行了分析。根據(jù)梯形抓手的成形特點，分析了結(jié)構(gòu)典型的破壞方式并預測了破壞載荷。開展了抓手結(jié)構(gòu)破壞試驗，從膜面變形、破壞位置和破壞載荷方面驗證了仿真方法的有效性。文中的分析方法和結(jié)果可以為提升現(xiàn)階段浮空器抓手的設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量提供技術(shù)基礎(chǔ)。

浮空器；抓手結(jié)構(gòu)；薄膜結(jié)構(gòu)；褶皺仿真；破壞試驗

引 言

抓手結(jié)構(gòu)是浮空器的重要連接部件，通過抓手結(jié)構(gòu)的傳力，可以實現(xiàn)對浮空器其他部件的固定與操控，有效提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抵抗外載荷能力。未來先進浮空器要求在長航時、多任務(wù)環(huán)境下都具有良好的穩(wěn)定性和安全性[1]，要求抓手結(jié)構(gòu)必須在復雜惡劣環(huán)境下具備穩(wěn)定良好的使用性能。

浮空器抓手結(jié)構(gòu)屬于一種編織薄膜結(jié)構(gòu)[2-3]，在復雜外載荷環(huán)境下可能引起結(jié)構(gòu)的失效或破壞。目前針對抓手結(jié)構(gòu)的仿真分析在工程上通常將其簡化為連接單元，而對抓手結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計主要通過試驗方法。由于設(shè)計成本限制，有限的試驗數(shù)據(jù)難以形成規(guī)律性的設(shè)計指導。因此，發(fā)展抓手結(jié)構(gòu)的精細仿真分析方法對提高抓手結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量乃至浮空器的使用安全具有重要意義。

本文提出了一種基于褶皺仿真的浮空器抓手結(jié)構(gòu)力學性能分析方法。通過建立典型浮空器抓手結(jié)構(gòu)的力學模型，將基于薄殼理論的膜結(jié)構(gòu)褶皺分析方法應用到抓手模型的力學分析中，獲得抓手結(jié)構(gòu)在面內(nèi)拉伸載荷下的變形和破壞方式，并給出相應的預測破壞載荷。相關(guān)結(jié)果得到了梯形抓手強度試驗驗證。本文的分析方法為抓手結(jié)構(gòu)的精細設(shè)計與優(yōu)化提供了一種便捷有效的仿真技術(shù)途徑。

1 薄膜結(jié)構(gòu)的褶皺仿真方法

薄膜結(jié)構(gòu)是一種具有很小彎曲剛度，只承受面內(nèi)拉應力的一種膜結(jié)構(gòu)[4-5]。因此，膜面在張緊狀態(tài)下，一旦受到壓縮容易產(chǎn)生面外變形，形成褶皺。工程上根據(jù)膜面某點的主應力水平(假設(shè)σ1和σ2分別為最大和最小主應力)，可以簡單地對膜面受力狀態(tài)進行判斷，即張緊狀態(tài)(σ2>0)、褶皺狀態(tài)(σ1>0且σ2≤0)和松弛狀態(tài)(σ1≤0)。

薄膜結(jié)構(gòu)褶皺現(xiàn)象的有限元仿真以薄殼理論為基礎(chǔ)[6-7]，通過薄殼單元的彎曲剛度特性，反映膜面的屈曲和褶皺特性。在商業(yè)軟件ABAQUS中，通過對膜面初始狀態(tài)的特征屈曲分析，提取結(jié)構(gòu)的主要屈曲模態(tài)，再通過引入尺寸缺陷(一般取薄膜厚度)的方式將該屈曲模態(tài)引入實際加載分析中，獲得最終膜面的變形與應力結(jié)果。具體分析流程如圖1所示。

圖1 薄膜結(jié)構(gòu)的褶皺仿真分析流程

2 梯形抓手結(jié)構(gòu)的變形分析

2.1 有限元建模

梯形抓手是連接浮空器尾翼與主囊體的常見抓手形式之一。通過在囊體布上預留切縫，采用熱合工藝將抓手布、囊體布和密封布連接在一起。在ABAQUS軟件中建立某浮空器尾翼梯形抓手的仿真模型，如圖2所示。模型主要參數(shù)包括抓手布的寬度w、厚度t和長度m，囊體布的長度L和寬度W，密封布的長度l和寬度h，以及囊體布表面受內(nèi)壓產(chǎn)生的拉伸預應力σ。

薄膜布材料的彈性模量取E=10 GPa，泊松比ν=0.4，撕裂破壞強度約為310 MPa。建模采用具有彎曲剛度的薄殼單元，邊界條件選擇將囊體布邊界S1～S4的x、y、z方向的平動自由度約束。

圖2 抓手結(jié)構(gòu)的模型及主要參數(shù)

2.2 面內(nèi)拉伸下的變形

面內(nèi)拉伸狀態(tài)是浮空器抓手的一種受力形式，對梯形尾翼抓手仿真模型受面內(nèi)拉伸載荷下的屈曲模態(tài)進行分析。在該步分析中，只需施加較小的載荷，此處按目標載荷縮比，取拉伸載荷為1 kN。另外取囊體布表面的預應力σx=σy=1 MPa，得到抓手膜面的屈曲振型和對應的屈曲載荷系數(shù)，如圖3所示。抓手模型的1階屈曲模態(tài)表現(xiàn)為在抓手布下方的囊體布表面出現(xiàn)了局部凹陷，對應的載荷系數(shù)為0.33。

圖3 面內(nèi)拉伸下抓手結(jié)構(gòu)的1階屈曲模態(tài)

提取屈曲模態(tài)分析結(jié)果，并通過膜面厚度方向的缺陷引入后屈曲分析中。在該步分析中，拉伸載荷取目標值20 kN，囊體布表面無預應力。得到抓手結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果，并根據(jù)主應力對囊體布的膜面變形狀態(tài)進行大致劃分，如圖4所示，區(qū)域①為褶皺狀態(tài)，區(qū)域②為張緊狀態(tài)，區(qū)域③為松弛狀態(tài)。

以抓手布與囊體布連接切縫的中點為膜面變形代表點，給出該點的面內(nèi)拉伸方向和面法線方向的位移-載荷曲線，如圖5所示。抓手結(jié)構(gòu)在面內(nèi)拉伸載荷作用下，抓手布與囊體布膜面存在褶皺現(xiàn)象，面內(nèi)拉伸方向的變形隨載荷變化呈線性，而面法線方向的變形具有明顯的非線性。

圖4 面內(nèi)拉伸下抓手結(jié)構(gòu)的變形分布

圖5 面內(nèi)拉伸下抓手結(jié)構(gòu)的位移-載荷曲線

3 梯形抓手的破壞分析及載荷預測

根據(jù)梯形抓手結(jié)構(gòu)的成形方法，面內(nèi)拉伸載荷下，抓手布與囊體布的熱合邊界、密封布與囊體布的熱合邊界都是可能發(fā)生撕裂失效的位置。對這兩種破壞情況下的抓手結(jié)構(gòu)進行應力分析，并根據(jù)應力-載荷關(guān)系預測相應的破壞載荷。

3.1 抓手布失效及破壞載荷

當抓手布由2層布熱合而成時，在抓手布與囊體布切縫連接處，抓手布的實際受拉厚度只有1層，在整個膜面受拉變形過程中，該位置容易成為最大應力位置。

圖6給出了抓手布與囊體布切縫連接處只有1層布受力的梯形抓手應力云圖，對應的拉力為20 kN?？梢钥闯鱿鄬τ谡麄€膜面，抓手布和囊體布切縫連接區(qū)域、囊體布與密封布熱合邊界的應力水平顯著較高，最大應力位于抓手布上與囊體布切縫連接區(qū)域的中間褶皺處。

圖6 單層抓手布受力下的結(jié)構(gòu)應力云圖

提取最大應力位置的單元積分點的平均應力，給出最大主應力隨載荷的變化曲線，如圖7所示?？梢钥闯鲈趩螌幼ナ植际芰ο?，抓手布與囊體布切縫連接處的最大應力隨面內(nèi)拉伸載荷變化基本呈線性。抓手布的撕裂強度約為310 MPa，由此預測單層抓手布受力下，梯形抓手面內(nèi)拉伸的破壞載荷約為26 kN。

圖7 單層抓手布受力下結(jié)構(gòu)最大應力-載荷曲線

3.2 囊體布失效及破壞載荷

在不改變梯形抓手成形方法的條件下，增加抓手布受力面厚度可以提高抓手布與囊體布切縫連接區(qū)域的強度。例如，在原抓手布的內(nèi)部再熱合1層布，使得抓手布的實際受拉厚度增加至2層。

圖8給出了抓手布與囊體布切縫連接處有2層布受力的梯形抓手應力云圖，對應的拉力為20 kN?？梢钥闯瞿殷w布與密封布熱合邊界的應力水平較圖6顯著下降，最大應力位于囊體布上與密封布熱合邊界線中間位置。

圖8 雙層抓手布受力下的結(jié)構(gòu)應力云圖

圖9所示為雙層抓手布受力下梯形抓手的最大主應力隨載荷的變化曲線?？梢钥闯瞿殷w布與密封布熱合邊界線上的最大應力隨面內(nèi)拉伸載荷變化呈線性。囊體布的撕裂強度約為310 MPa，由此預測雙層抓手布受力下，梯形抓手面內(nèi)拉伸的破壞載荷約為35 kN。

圖9 雙層抓手布受力下結(jié)構(gòu)最大應力-載荷曲線

4 梯形抓手強度試驗驗證

針對囊體切縫處單層抓手布受力和雙層抓手布受力的兩種梯形抓手結(jié)構(gòu)，開展面內(nèi)拉伸破壞試驗。將試驗件的破壞方式、破壞位置以及破壞載荷與對應的仿真結(jié)果進行比較，如圖10和圖11所示。

圖10 單層抓手布受力下仿真與試驗對比

圖11 雙層抓手布受力下仿真與試驗對比

結(jié)果顯示，試驗中兩種抓手結(jié)構(gòu)的膜面變形與仿真結(jié)果一致性良好，破壞形式均為撕裂破壞，破壞位置與仿真結(jié)果也完全一致。對于破壞載荷，仿真預測數(shù)值高于試驗結(jié)果，單層抓手布受力下仿真比試驗高約8%，雙層抓手布受力下仿真比試驗高約6%。

5 結(jié)束語

文中針對浮空器柔性結(jié)構(gòu)，提出了一種基于褶皺分析的仿真技術(shù)，并以梯形抓手為研究對象，揭示了其在面內(nèi)拉伸載荷下的變形機理和破壞方式。

開展了梯形抓手面內(nèi)拉伸破壞試驗，觀察到的結(jié)構(gòu)變形、破壞位置和破壞載荷驗證了仿真方法的有效性，可以采用該方法提高抓手結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量。

[1] 侯東興, 劉東紅. 浮空器在軍事斗爭中的應用及發(fā)展趨勢[J]. 航空兵器, 2006(3): 60-64.

[2] 田越, 肖尚明. 平流層飛艇囊體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 合成纖維, 2013, 42(4): 11-15.

[3] 顏標. 浮空器囊體材料力學性能實時測定[J]. 實驗科學與技術(shù), 2012, 10(1): 27-30.

[4] 趙騰飛. 拉伸薄膜褶皺力學行為的數(shù)值研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2014.

[5] 李云良. 空間薄膜褶皺及其動態(tài)特性研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2008.

[6] TOMITA Y, SHINDO A. Onset and growth of wrinkles in thin square plates subjected to diagonal tension[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 1988, 30(12): 921-931.

[7] FRIEDL N, RAMMERSTORFER F G, FISCHER F D. Buckling of stretched strips[J]. Computers & Structures, 2000, 78(1): 185-190.

張 平(1985-)，男，博士，工程師，主要研究方向為智能蒙皮設(shè)計、復合材料力學。

Simulation and Experiment of Mechanical Properties of Load Patch Structure of an Aerostat

ZHANG Ping1,2，WANG Ping-an1,2

(1.The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China；2.NationalIndustrialDesignCenter,Hefei230088,China)

The load patch structure of aerostat plays a key role in keeping balance and stabilization of the hulls under external loads. One method for the mechanical properties analyses of the aerostat load patch structure based on wrinkling simulation is proposed in this paper. A finite element model of a trapezoid empennage load patch is established and its main mechanical parameters are given. Then, simulation analysis is carried out for the deformation mechanism under in-membrane tensile load of the trapezoid load patch. According to the forming manner of the load patch, typical failure modes of the structure are analyzed and corresponding failure loads are predicted. Finally, damage tests for the load patch structure are carried out to verify the effectiveness of the simulation method from aspects of membrane surface deformation, damage position and failure load. The proposed analysis method and its results could provide technical basis for enhancing the efficiency and quality of current aerostat load patch design.

aerostat; load patch structure; membrane structure; wrinkling simulation; damage test

2016-07-09

V214

A

1008-5300(2016)05-0030-04