影響減速傘連接帶強(qiáng)度的雙因素試驗(yàn)研究

趙 淼,張 章,張文博,劉 宇,劉 濤,李 健,何青松

(1.北京空間機(jī)電研究所， 北京 100094； 2.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司航天進(jìn)入、減速與著陸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100094)

1 引言

減速傘作為氣動(dòng)減速裝置，以其高效的減速能力，在武器裝備領(lǐng)域得到較為廣泛的使用。采用減速傘系統(tǒng)減速是空天武器裝備實(shí)現(xiàn)減速精準(zhǔn)攻擊目標(biāo)的主要途徑之一，減速傘系統(tǒng)一般由傘衣、傘繩、連接帶、旋轉(zhuǎn)接頭和吊帶等組成。傘系統(tǒng)內(nèi)的連接帶承載著傘繩和有效載荷的雙向拉力，起著將傘衣穩(wěn)降產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力傳遞給有效載荷的作用，連接帶強(qiáng)度決定著任務(wù)的成敗，因此其強(qiáng)度成為衡量減速系統(tǒng)綜合性能的重要指標(biāo)。

目前，通過金屬轉(zhuǎn)接軸傳遞開傘載荷，仍是減速傘系統(tǒng)中連接帶主要的連接方式。開傘過程中，連接帶主要在經(jīng)線方向承載拉力。連接帶通常是由單層基帶折疊組合成多層基帶，以縫合的方式加工而成，縫合部位較易出現(xiàn)纖維損傷。同時(shí)，由于減速傘連接帶多層折疊，會(huì)在與金屬轉(zhuǎn)接軸的接觸部位處產(chǎn)生擠壓，引起應(yīng)力集中，造成纖維撕裂。縫合引起的纖維損傷以及多層擠壓造成的纖維撕裂使得連接帶強(qiáng)度較難評(píng)估。

減速傘連接帶是一種重要的載荷傳遞裝置，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)其開展了一系列研究，但針對(duì)影響連接帶強(qiáng)度的因素尚未開展研究工作。同時(shí)現(xiàn)有的減速傘連接帶主要通過金屬轉(zhuǎn)接軸傳遞有效載荷，多依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，未針對(duì)折疊層數(shù)和接觸連接軸直徑進(jìn)行詳細(xì)試驗(yàn)研究。為此，本文搭建了相關(guān)的試驗(yàn)平臺(tái)，開展了影響連接帶強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，詳細(xì)分析了連接帶的強(qiáng)度極限、破壞位置以及強(qiáng)度變化系數(shù)，該分析結(jié)果可為減速傘連接帶設(shè)計(jì)選型提供參考。

2 減速傘連接帶

減速傘的工作過程主要由彈射、拉直、充氣、穩(wěn)降等組成。其中，減速傘傘繩與底部某武器裝備主要通過柔性傘繩基帶連接，如圖1所示，柔性繩索連接帶之間通過連接軸相連，在工作過程中，既承載減速傘開傘時(shí)傘繩傳遞過來的載荷，又承載底部某武器裝備因自身運(yùn)動(dòng)帶來的慣性力。

圖1 減速傘連接帶示意圖

對(duì)于減速傘連接帶來說，折疊層數(shù)決定著連接帶所能承載受的來自經(jīng)線方向的拉力上限，而連接軸直徑?jīng)Q定著連接帶的局部接觸面積。由于連接軸直徑的限制，折疊層數(shù)存在上限，因此這2個(gè)因素存在互相競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

影響減速傘連接帶強(qiáng)度的外在因素有多個(gè)，其中，以折疊層數(shù)和接觸的連接軸直徑對(duì)連接帶的強(qiáng)度影響最為直接。

3 試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

為了研究影響減速傘連接帶強(qiáng)度的因素，分別選取2種不同規(guī)格尺寸的芳綸基帶，采用鋸齒形線跡，使用芳綸線為縫線，以首末搭接的方式縫合為減速傘連接帶。

圖2為減速傘連接帶的規(guī)格尺寸示意圖。表1為2種不同規(guī)格的連接帶尺寸表。縫合能夠提高織物材料之間的層間性能和抗沖擊等力學(xué)性能，然而，連接帶首末位置經(jīng)過縫合后，會(huì)引起織物纖維經(jīng)線方向的撕裂。同時(shí)，連接帶與連接金屬軸接觸部位受到多層纖維的擠壓，極易在接觸點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖2 減速傘連接帶結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

表1 減速傘連接帶尺寸

圖3為減速傘連接帶的試驗(yàn)樣件。

圖3 連接帶試驗(yàn)樣件圖

連接帶強(qiáng)度試驗(yàn)裝置如圖4和圖5所示。降落傘連接帶垂直放置于立式龍門架內(nèi)，通過支座上的連接金屬軸螺栓組合固定在底板上，上部同樣采用此方式固定，試驗(yàn)過程中，連接帶承受經(jīng)線方向的拉力。龍門架上方裝有液壓加載作用筒，提供最大500 kN的拉伸載荷，同時(shí)配置有相應(yīng)量程的傳感器。試驗(yàn)工況如表2所示。

圖4 立式龍門架拉力加載設(shè)備圖

圖5 控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)圖

表2 試驗(yàn)工況參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性分析

高可靠性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是分析降落傘連接帶強(qiáng)度的前提。利用變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差來確定各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

(1)

(2)

引入強(qiáng)度變化系數(shù)(strength variation coefficient，SVC)作為連接帶設(shè)計(jì)的參考指標(biāo)，SVC越大說明，強(qiáng)度損失越小，其計(jì)算公式為

(3)

其中：為實(shí)際測(cè)量的強(qiáng)度，kN；為層數(shù)，為單根連接帶的強(qiáng)度，kN。

圖6(a)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的關(guān)系圖。圖6(b)為圖6(a)投影到平面的標(biāo)準(zhǔn)差等高線圖。由圖可知，試驗(yàn)編號(hào)為1時(shí)，變異系數(shù)最大，為0.045 5；試驗(yàn)編號(hào)為3時(shí)，變異系數(shù)最小，為0.007 6；試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差最大，不超過3.26。上述結(jié)果說明，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較好，離散程度低，逼近于真實(shí)值，可以用于研究影響降落傘連接帶強(qiáng)度。

圖6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性影響因素

4.2 折疊層數(shù)

圖7為試驗(yàn)件A折疊層數(shù)影響的連接帶強(qiáng)度曲線。由圖7可知：

1) 當(dāng)折疊層數(shù)為2、4、6和8層時(shí)，3次試驗(yàn)的強(qiáng)度均值分別為71.72 kN、149.89 kN、198.4 kN和215.66 kN。

2) 隨著折疊層數(shù)的增加，連接帶的強(qiáng)度逐漸增大，其增量速率逐步下降，趨勢(shì)逐漸趨向于平滑。

3) 當(dāng)折疊層數(shù)為2、4、6和8層時(shí)，連接帶的強(qiáng)度變化系數(shù)分別為0.896、0.936、0.826和0.674。折疊層數(shù)為4層時(shí)，連接帶強(qiáng)度變化系數(shù)最大，為0.936，且隨著層數(shù)的增加，強(qiáng)度變化系數(shù)非線性減小。

4) 當(dāng)折疊層數(shù)為2、4和6時(shí)，連接帶的破壞位置出現(xiàn)在縫合部位根部，破壞形式為經(jīng)線纖維的與抽拔；折疊層數(shù)為8時(shí)，破壞部位為縫合部位根部和連接帶與連接軸接觸部位，破壞形式包括有經(jīng)線斷裂和纖維束的擠壓分裂。

圖7 試驗(yàn)件A折疊層數(shù)影響的連接帶強(qiáng)度曲線

圖8為試驗(yàn)件B折疊層數(shù)影響的連接帶強(qiáng)度曲線。由圖8可知：

1) 當(dāng)折疊層數(shù)為2、4、6和8層時(shí)，3次試驗(yàn)的強(qiáng)度均值分別為19.74 kN、42.68 kN、50.01 kN和62.01 kN。

2) 隨著折疊層數(shù)的增加，連接帶的強(qiáng)度逐漸增大。相比于圖7(a)，強(qiáng)度趨勢(shì)線性化增長(zhǎng)，未有趨于平滑的趨勢(shì)。

3) 當(dāng)折疊層數(shù)為2、4、6和8層時(shí)，連接帶的強(qiáng)度變化系數(shù)分別為0.822、0.889、0.694和0.646。折疊層數(shù)為4層時(shí)，連接帶強(qiáng)度變化系數(shù)最大，為0.889，且隨著層數(shù)的增加，強(qiáng)度變化系數(shù)非線性減小。

4) 相比于圖7(b)，同工況條件下，試驗(yàn)件B的強(qiáng)度變化系數(shù)整體小于試驗(yàn)件A，試驗(yàn)件B的強(qiáng)度損失較大，說明折疊層數(shù)對(duì)試驗(yàn)件B強(qiáng)度的影響較大。

圖8 試驗(yàn)件B折疊層數(shù)影響的連接帶強(qiáng)度曲線

4.3 連接軸直徑

圖9為試驗(yàn)件A連接軸直徑D影響的連接帶強(qiáng)度曲線。由圖9可知：

1) 當(dāng)連接軸直徑為18、22、32和45 mm時(shí)，試驗(yàn)的強(qiáng)度均值為112.5 kN、125.26 kN、149.89 kN和145.98 kN。

2) 隨著連接軸直徑的增加，連接帶的強(qiáng)度逐漸增加，增量速率逐步下降，直到32 mm時(shí)，強(qiáng)度最大，然后逐漸減小。

3) 當(dāng)連接軸直徑為18、22、32和45 mm時(shí)，連接帶的強(qiáng)度變化系數(shù)分別為0.701、0.782、0.936和0.912。連接軸直徑為32 mm時(shí)，連接帶強(qiáng)度變化系數(shù)最大，為0.936，且隨著層數(shù)的增加，強(qiáng)度變化系數(shù)非線性減小。

4) 連接帶的破壞位置多出現(xiàn)在縫合部位處根部，少量出現(xiàn)連接帶與連接軸的接觸部位，破壞形式為經(jīng)線纖維的斷裂與纖維束的擠壓分裂。

圖10(a)為試驗(yàn)件B連接軸D直徑影響的連接帶強(qiáng)度曲線。

圖9 試驗(yàn)件A連接軸直徑影響的連接帶強(qiáng)度曲線

圖10 試驗(yàn)件B連接軸直徑影響的連接帶強(qiáng)度曲線

由圖10可知：

1) 當(dāng)連接軸直徑為12、18、22和32 mm時(shí)，試驗(yàn)的強(qiáng)度均值為41.14 kN、37.41 kN、42.31 kN和42.68 kN。

2) 隨著連接軸直徑的增加，連接帶的強(qiáng)度先降后升，在18 mm時(shí)，強(qiáng)度最小。

3) 當(dāng)連接軸直徑為12、18、22和32 mm時(shí)，連接帶的強(qiáng)度變化系數(shù)分別為0.857、0.779、0.881和0.889。連接軸直徑為32 mm時(shí)，連接帶強(qiáng)度變化系數(shù)最大，為0.889。

4) 相比于圖9(b)，同工況條件下，試驗(yàn)件B的強(qiáng)度變化系數(shù)不規(guī)則變化。

5 結(jié)論

連接帶強(qiáng)度是衡量減速系統(tǒng)綜合性能的重要指標(biāo)，本文采用試驗(yàn)的方法對(duì)影響減速傘連接帶強(qiáng)度的因素進(jìn)行了研究。

1) 連接軸直徑為32 mm時(shí)，2種規(guī)格的連接帶的破壞位置多出現(xiàn)于縫合部位，且當(dāng)折疊層數(shù)為4層時(shí)，強(qiáng)度變化系數(shù)最大，分別為0.93和0.89；

2) 折疊層數(shù)為4層時(shí)，連接軸直徑越小，破壞位置出現(xiàn)在與局部接觸部位的幾率越大，且強(qiáng)度變化系數(shù)最大不超過0.93。

3) 連接帶由單根芳綸基帶縫合而成，縫合部位采用首末搭接形式而成，縫線會(huì)對(duì)織物層內(nèi)的纖維造成損傷，從而降低纖維的經(jīng)向受力強(qiáng)度，進(jìn)而使得經(jīng)線纖維斷裂。

4) 多層連接帶與連接軸接觸時(shí)，不僅承受切線方向的拉力，還會(huì)承受法向的多層擠壓，造成接觸點(diǎn)部位應(yīng)力集中，使得纖維束承受緯線方向的剪切力，引起纖維束的擠壓分裂。