柔性充氣結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)問題的分析方法研究

肖鵬 王小四

摘 要：褶皺、蠕變、剛度突變等因素對于柔性結(jié)構(gòu)的承載能力是有很大的影響的，但其影響程度很難通過分析或者試驗的方法得出準(zhǔn)確的結(jié)果，本論文針對褶皺結(jié)構(gòu)的分析，采用了一種特殊的建模分析方法，解決了柔性充氣結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)問題的分析方法，并通過試驗驗證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：褶皺；蠕變；剛度突變

1 概述

柔性充氣結(jié)構(gòu)在加工過程中產(chǎn)生的褶皺、材料的蠕變、剛度突變等因素對于受力結(jié)構(gòu)是有很大的影響的，最直接的影響就是會引起結(jié)構(gòu)局部的應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中的影響有多大，應(yīng)力集中系數(shù)能達(dá)到多少，很難通過分析或者試驗的方法得出準(zhǔn)確的結(jié)果，本論文針對褶皺結(jié)構(gòu)的分析，采用了一種特殊的建模分析方法，解決了柔性充氣結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)問題的分析方法，并通過試驗驗證了該方法的有效性。

2 變形不協(xié)調(diào)的影響因素

變形不協(xié)調(diào)的影響因素有三個方面：

a）加工過程中產(chǎn)生的褶皺

褶皺除了導(dǎo)致氣囊蒙布與防撕裂條的變形不協(xié)調(diào)外，還會直接將焊接帶部位的三層同時受力結(jié)構(gòu)變成局部只有兩層受力。

b）材料的蠕變

蠕變是材料的共性，在織物薄膜材料上表現(xiàn)的尤為突出，蠕變與外載荷的大小有關(guān)系，外載荷越大，相同時間內(nèi)的蠕變量越大；當(dāng)外載荷一定時，剛度越大，蠕變量越小?？椢锉∧げ牧系某跏既渥兞枯^大，約為材料長度的1%。使用一段時間后焊接帶和氣囊蒙布都有不同程度的蠕變，由于剛度不同導(dǎo)致蠕變伸長率不同，蠕變伸長之后的蒙布與焊接帶之間長度不一致，也會加劇蒙布上的褶皺量（該褶皺與生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的明顯褶皺不一樣，這種由于變形不一致產(chǎn)生的褶皺均勻分布在焊接帶兩邊的蒙布上）。

c）剛度突變

焊接帶由兩層氣囊蒙布組成，粘貼在氣囊蒙布上導(dǎo)致局部層數(shù)變?yōu)槿龑?，而周邊蒙布只有一層，存在厚度突變，即剛度突變；剛度突變會?dǎo)致加載過程中蒙布與焊接帶的伸長量差距越來越大，產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。剛度的影響可以在模型加載過程中直接反應(yīng)出來。

3 計算方法

a）不管是生產(chǎn)中直接產(chǎn)生的褶皺，還是蠕變過程中產(chǎn)生的均勻褶皺，其本質(zhì)都是導(dǎo)致焊接帶與附件蒙布的初始變形不一致，將生產(chǎn)過程中的褶皺和蠕變過程中產(chǎn)生的褶皺相加，即為初始變形不協(xié)調(diào)總量，以此為基礎(chǔ)建立帶褶皺的有限元計算模型；

b）分別計算多種不同褶皺量的焊接帶及其附近蒙布的應(yīng)力分布，通過曲線擬合尋找褶皺量與應(yīng)力的變化規(guī)律；

c）建立褶皺量相同，褶皺數(shù)量不同的多種模型，通過曲線擬合尋找褶皺數(shù)量與應(yīng)力分布的變化規(guī)律；

d）通過以上規(guī)律，結(jié)合實際載荷、焊接帶長度、實測褶皺量、焊接帶伸長率、蒙布伸長率、材料的彈性常數(shù)等輸入計算帶褶皺的焊接帶及其附近蒙布的應(yīng)力分布，對比材料強度，給出強度結(jié)論。

4 計算方法的試驗驗證

4.1 試驗件概述

焊接帶和褶皺氣囊連接試驗件結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。試驗件按氣囊膠接焊接帶處收縮量分別為收縮0.5%、收縮1%、收縮2%、收縮3%、收縮5%情況制作。強制收縮位置有2處，每處的強制收縮量為總收縮量的一半。

為便于計算，氣囊褶皺簡化為直徑為d的圓弧。氣囊膠接處加工前尺寸為1500，每處褶皺氣囊收縮量為 ，因此可得氣囊褶皺處圓弧直徑d如表1所示。

4.2 拉伸試驗結(jié)果

試驗件拉伸強度測試結(jié)果如下：收縮0.5%的式樣平均破壞載荷為1006kg，收縮1%的式樣平均破壞載荷為994kg，收縮2%的式樣平均破壞載荷為835kg，收縮3%的式樣平均破壞載荷為701kg，收縮5%的式樣平均破壞載荷為671kg。

4.3 計算模型

根據(jù)焊接帶和褶皺氣囊試驗件實際受力情況，建立有數(shù)學(xué)力學(xué)模型。焊接帶和褶皺氣囊連接試驗件中氣囊材料簡化為膜元，拉桿簡化為梁元。利用有限元軟件MSC.Patran/Nastran進(jìn)行有限元建模和計算，計算模型如圖2所示。

a） 邊界條件

約束固定端17個單元節(jié)點的6個自由度作為求解的邊界條件。

b） 計算載荷與工況

按褶皺氣囊的總收縮量劃分工況，以各工況下的試驗件實際平均破壞載荷為計算載荷。分析計算以上5種載荷工況?？傒d荷以線載荷形式施加在加載端的膜單元邊上。

4.4 計算結(jié)果

利用分析軟件MSC.NASTRAN對模型進(jìn)行非線性靜力分析，可求得各種工況下焊接帶和褶皺氣囊應(yīng)力分布計算結(jié)果如表2所示。典型式樣的應(yīng)力分布云圖見圖3。焊接帶破壞強力試驗值為147.4N/mm。

4.5 計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比

依據(jù)表3，焊接帶破壞強力有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果147.4N/mm最大相對誤差為11.9%，平均值143.4N/mm與試驗結(jié)果147.4N/mm相對誤差為2.7%。

5 結(jié)論

分析結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差僅有2.7%，證明通過該建模方法可以有效的解決變形不協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析問題，可以用于指導(dǎo)工程實踐。

作者簡介：

肖鵬，男，湖北荊門，畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，研究方向：飛行器結(jié)構(gòu)強度

王小四，男，湖北荊門，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)固體力學(xué)專業(yè)，研究方向：飛行器結(jié)構(gòu)強度