蝴蝶結(jié)膜面的力學(xué)性能試驗(yàn)與仿真分析

楊 曉，王雪明，何 巍，顧文華

(中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門(mén) 448035)

1 引言

系留氣球利用囊體內(nèi)輕于空氣的氣體提供的靜升力長(zhǎng)時(shí)間駐空，主要用于低空偵查、通信中繼以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著薄膜結(jié)構(gòu)和新型復(fù)合材料等技術(shù)的快速發(fā)展，針對(duì)系留氣球的研究也受到越來(lái)越多人的關(guān)注。蝴蝶結(jié)也被稱(chēng)為抓手或載荷簾，通常熱合在系留氣球的囊體表面，起著連接外部索具和傳遞索具荷載的作用，主要由襯布、承力條和拉環(huán)組成。襯布采用可以與囊體材料相融合的新型復(fù)合材料，承力條具有多種形式(織物類(lèi)、織帶類(lèi))，熱合或者膠結(jié)在襯布表面，拉環(huán)用于連結(jié)承力條和外部索具。實(shí)際工程中根據(jù)承載力的不同，可對(duì)承力條的數(shù)量、材質(zhì)及扇形面積進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

由于蝴蝶結(jié)具有良好的荷載擴(kuò)展性，且制造工藝簡(jiǎn)便，所以廣泛應(yīng)用于系留氣球，飛艇等大型柔性結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)良的力學(xué)性能對(duì)整體結(jié)構(gòu)的安全性具有非常重要的影響。蝴蝶結(jié)通常采用編織的新型復(fù)合材料薄膜，而纖維織物具有復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)且編織結(jié)構(gòu)具有方向性，故在材料層次和結(jié)構(gòu)層次表現(xiàn)出明顯的非線性和各向異性。在實(shí)際中，蝴蝶結(jié)基本處于雙向張拉狀態(tài)，所以研究在相同荷載條件下的膜材力學(xué)響應(yīng)特性非常關(guān)鍵。有關(guān)雙軸拉伸力學(xué)特性的研究表明，膜材的雙向受力性能具有明顯的非線性，且彈性參數(shù)受到不同應(yīng)力比和應(yīng)力組合的影響。魯國(guó)富等對(duì)蒙皮材料進(jìn)行7種應(yīng)力比下的雙軸拉伸試驗(yàn)，建立應(yīng)力彈性常數(shù)響應(yīng)面，并通過(guò)有限元仿真驗(yàn)證其非線性模型的正確性。陳建穩(wěn)等針對(duì)某芳綸纖維層合膜材進(jìn)行了一系列雙軸拉伸試驗(yàn)，得到了應(yīng)力空間中材料彈性參數(shù)的響應(yīng)曲面，并總結(jié)應(yīng)力比和應(yīng)力組合對(duì)膜材雙向拉伸力學(xué)性能的作用規(guī)律。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)蒙皮材料的力學(xué)性能研究較多，但對(duì)蝴蝶結(jié)的研究相對(duì)較少，所以有必要深入研究它的力學(xué)響應(yīng)特征。

首先設(shè)計(jì)了蝴蝶結(jié)試件的力學(xué)響應(yīng)試驗(yàn)。研究試件在雙向1.6kN張拉荷載下，在蝴蝶結(jié)拉環(huán)處分級(jí)施加面內(nèi)拉力2kN、4kN、6kN、8kN、10kN時(shí)膜面產(chǎn)生的變形、應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)；然后利用有限元軟件對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真分析；最后提出一種將試驗(yàn)與仿真結(jié)果定量對(duì)比的方法，對(duì)試驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行定量對(duì)比和誤差分析。驗(yàn)證了仿真方案的可行性以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 蝴蝶結(jié)試驗(yàn)

2.1 試件材料及結(jié)構(gòu)

蝴蝶結(jié)試件的蒙皮材料與承力條分別采用具有高強(qiáng)度，高比強(qiáng)，高模量的芳綸纖維層合膜材。

將蝴蝶結(jié)布置在蒙皮試件中部位置，如圖1所示。蝴蝶結(jié)承力條的彎折后成一定夾角，如圖2所示，每根承力條由多層膜材焊接而成。

圖1 蒙皮試件示意 圖2 蝴蝶結(jié)示意

2.2 試件預(yù)處理

首先將預(yù)制好的散斑貼在如圖3所示的矩形紅框內(nèi)，作為試驗(yàn)測(cè)試初始區(qū)域(最終區(qū)域取決于試驗(yàn)設(shè)備)。由于柔性膜材具有很強(qiáng)的非線性且加載過(guò)程容易產(chǎn)生褶皺，為了方便與數(shù)值結(jié)果對(duì)比且提高對(duì)比結(jié)果的準(zhǔn)確性，提出一種定量對(duì)比的方法。在試件表面的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，以50mm為間距，水平做編號(hào)為～的矩形區(qū)域，測(cè)量區(qū)域內(nèi)所有結(jié)點(diǎn)的水平應(yīng)變(垂直加載方向)、剪切應(yīng)變。豎直做編號(hào)為～的矩形區(qū)域，測(cè)量區(qū)域內(nèi)所有結(jié)點(diǎn)的豎直應(yīng)變。沿承力帶方向做編號(hào)為～的矩形區(qū)域，測(cè)量區(qū)域內(nèi)所有結(jié)點(diǎn)的最大主應(yīng)變。在每個(gè)工況下，取每個(gè)矩形區(qū)域中所有測(cè)試點(diǎn)的平均值作為最終結(jié)果。對(duì)比傳統(tǒng)的單節(jié)點(diǎn)數(shù)值對(duì)比方法，該方法顯著的提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。其中，矩形區(qū)域的邊長(zhǎng)均為15mm，且應(yīng)保證各區(qū)域測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)不少于10個(gè)。散斑區(qū)域分布位置如圖3中小方塊所示。

圖3 矩形區(qū)域分布位置

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)環(huán)境溫度應(yīng)在-5℃-40℃之間，相對(duì)濕度應(yīng)小于85%RH，采用典型連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)采用自平衡框架的設(shè)計(jì)方式，無(wú)需額外約束，應(yīng)用PLC程序控制，能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)件的自動(dòng)張緊、加載、采集等功能。采用三維數(shù)字散斑應(yīng)變測(cè)量及分析系統(tǒng)(DIC-3D)獲取試件加載后的位移、應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2.4 試驗(yàn)方法

首先將預(yù)處理后的試驗(yàn)件安裝在平臺(tái)上，完全約束試件的四條邊，且施加雙向1.6kN的張緊力，作為試件的初始狀態(tài)；然后架設(shè)照明系統(tǒng)，使光圈照射在散斑區(qū)域，以提高圖像的分辨率；接著架設(shè)圖像采集系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定并鎖定焦距，鏈接遙控拍照控制器，設(shè)定相機(jī)在每循環(huán)中以固定間隔時(shí)間拍攝相同數(shù)量的照片，調(diào)試照相機(jī)，使其能清晰拍攝到測(cè)試區(qū)域的散斑情況；然后啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，以60mm/min速度對(duì)蝴蝶結(jié)拉環(huán)施加面內(nèi)載荷至2kN，待穩(wěn)定后觀察散斑變形情況并拍照記錄后繼續(xù)分級(jí)加載至4kN，6kN，8kN，10kN，重復(fù)上一步。最后利用DIC-3D對(duì)每級(jí)的照片進(jìn)行計(jì)算處理，得到散斑區(qū)域內(nèi)各工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移場(chǎng)結(jié)果。采集標(biāo)定區(qū)域內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)后進(jìn)行記錄。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

由于試驗(yàn)設(shè)備的局限性，只能獲取部分散斑測(cè)試區(qū)域的結(jié)果，最終選取10kN的工況結(jié)果進(jìn)行分析。

2.5.1 h區(qū)域結(jié)果分析

圖4為試件的部分散斑區(qū)域相對(duì)于初始狀態(tài)的水平應(yīng)變?cè)茍D?？梢钥闯鲎畲笏綉?yīng)變處于承力帶兩側(cè)。由于承力條由5層膜材粘合而成，剛度明顯增加，牽引兩側(cè)膜材發(fā)生變形。最小水平應(yīng)變出現(xiàn)在中間位置的承力條區(qū)域，隨著荷載的增加，應(yīng)變值由2kN荷載下的-0.4%逐漸增大10kN荷載下的-7.6%，與此同時(shí)，膜面局部發(fā)生受壓變形與褶皺，但褶皺占主要成分。

圖4 水平方向應(yīng)變?cè)茍D

由于試驗(yàn)設(shè)備原因，只能獲取～區(qū)域結(jié)果，各個(gè)工況下的數(shù)值結(jié)果如圖5所示。對(duì)比水平應(yīng)變圖，隨著荷載的增加，各數(shù)據(jù)點(diǎn)的應(yīng)變值呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。并且中間點(diǎn)的水平應(yīng)變絕對(duì)值大于其它數(shù)據(jù)點(diǎn)，可見(jiàn)蝴蝶結(jié)荷載變形過(guò)程中，因承力條的剛度大，區(qū)域因局部剛度小，呈現(xiàn)水平負(fù)應(yīng)變，表現(xiàn)出水平收縮。

圖5 h數(shù)據(jù)點(diǎn)水平應(yīng)變結(jié)果

圖6為試件的剪切云圖，可見(jiàn)區(qū)域的剪切應(yīng)變絕對(duì)值最小，向兩側(cè)擴(kuò)展過(guò)程逐漸增大，在拉伸過(guò)程中，兩側(cè)表現(xiàn)出較大的剪切變形，區(qū)域以拉應(yīng)變?yōu)橹?。圖7為各個(gè)工況下的數(shù)值結(jié)果，隨著荷載的增加，各區(qū)域沿兩側(cè)擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)變絕對(duì)值逐漸增大，與云圖結(jié)果一致。

圖6 剪切方向應(yīng)變?cè)茍D

圖7 h數(shù)據(jù)點(diǎn)剪切應(yīng)變圖

252區(qū)域結(jié)果分析

圖8為試件的部分散斑區(qū)域相對(duì)于初始狀態(tài)的豎直應(yīng)變?cè)茍D，可以看出承力帶區(qū)域的豎直應(yīng)變相對(duì)較小。最大豎直應(yīng)變出現(xiàn)在承力帶下側(cè)均勻區(qū)域，隨著荷載的增加，應(yīng)變值由2荷載下的092增大至10荷載下的265。

圖8 豎直方向應(yīng)變?cè)茍D

試驗(yàn)獲取的～區(qū)域各工況下的數(shù)值結(jié)果如圖9所示。對(duì)比豎直應(yīng)變?cè)茍D，隨著荷載的增加，各數(shù)據(jù)點(diǎn)的應(yīng)變值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。并且中間點(diǎn)、的豎直應(yīng)變出現(xiàn)較大躍升，主要是承力條剛度較大，點(diǎn)以?xún)?nèi)屬于承力條區(qū)域，因剛度大導(dǎo)致應(yīng)變較小。點(diǎn)在承力條區(qū)域之外，因單層膜材剛度較小，導(dǎo)致應(yīng)變值出現(xiàn)較大提高。

圖9 v區(qū)域豎直應(yīng)變圖

253區(qū)域結(jié)果分析

圖10為試件的部分散斑區(qū)域相對(duì)于初始狀態(tài)的最大主應(yīng)變?cè)茍D，試驗(yàn)獲取的～區(qū)域的數(shù)值結(jié)果如圖11所示。隨著荷載的增加，各數(shù)據(jù)點(diǎn)的應(yīng)變值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。其中，、區(qū)域的豎直應(yīng)變出現(xiàn)較大躍升，是因?yàn)槌辛l剛度較大，點(diǎn)以?xún)?nèi)屬于承力條區(qū)域，因剛度大而應(yīng)變較小。點(diǎn)在承力條區(qū)域之外，因單層膜材剛度較小，其應(yīng)變值出現(xiàn)較大提高。

圖10 最大主應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

圖11 f數(shù)據(jù)點(diǎn)最大主應(yīng)變圖

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元建模

利用三維建模軟件Catia對(duì)蝴蝶結(jié)試件建模后導(dǎo)入中預(yù)處理，根據(jù)圖3試驗(yàn)件中標(biāo)定的矩形區(qū)域位置和散斑位置，在模型中設(shè)置相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)集合，以方便在后處理中提取對(duì)應(yīng)的數(shù)值結(jié)果。由于膜材為柔性結(jié)構(gòu)，實(shí)際中不可抗壓及抗彎，所以為模型劃分精細(xì)化網(wǎng)格時(shí)，采用能考慮幾何大變形且不抗彎的膜單元M3D3和M3D4。為模擬試件不同區(qū)域的鋪層效應(yīng)，分區(qū)域設(shè)置材料厚度如圖12所示。

在膜材試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了較大的幾何變形，且為緩慢擬靜力加載，為準(zhǔn)確模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，數(shù)值仿真模型采用考慮幾何非線性的通用靜力分析。為了提高模型的收斂性，分為兩個(gè)分析步，第一分析步通過(guò)設(shè)置位移邊界條件來(lái)施加與試驗(yàn)相同的膜面預(yù)張力，以此作為模型的初始狀態(tài)。第二分析步在蝴蝶結(jié)拉環(huán)處逐漸施加拉力，均打開(kāi)幾何非線性開(kāi)關(guān)。

圖12 10kN工況下的應(yīng)變?cè)茍D

依據(jù)試驗(yàn)對(duì)模型施加邊界條件，左側(cè)邊界為固定約束，其余三邊均施加適當(dāng)?shù)姆ㄏ蛭灰埔阅M試驗(yàn)中1.6kN的預(yù)張力。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)每邊對(duì)膜材約束較弱，模擬自由雙向應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)算模型同時(shí)釋放橫向約束，如圖13所示。

圖13 數(shù)值模型邊界約束

為模擬集中加載條件，將5層厚度區(qū)域的邊結(jié)點(diǎn)與加載參考點(diǎn)(蝴蝶結(jié)拉環(huán))耦合，采用分布耦合方式連結(jié)，如圖14所示。分布耦合可將荷載傳遞到膜材的耦合點(diǎn)上，而不會(huì)約束膜材耦合點(diǎn)間的相對(duì)自由度，膜材耦合點(diǎn)依然保留獨(dú)立變形的能量，以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)加載過(guò)程。

圖14 分布耦合方式加載

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

選取10kN工況下的結(jié)果進(jìn)行分析。圖15-圖22分別為模型相對(duì)于初始狀態(tài)下的水平，豎直，剪切方向的應(yīng)變，應(yīng)力與位移云圖。

圖15 水平方向應(yīng)變?cè)茍D

圖16 水平方向應(yīng)力云圖

圖15-17為水平方向的數(shù)值結(jié)果。可看出應(yīng)力云圖與應(yīng)變?cè)茍D表現(xiàn)一致，應(yīng)變、應(yīng)力集中出現(xiàn)在承力條的頂端部位，在承力條兩側(cè)出現(xiàn)較大的應(yīng)力分布，并持續(xù)延續(xù)到夾持邊界。可見(jiàn)在加載過(guò)程中，試件上下兩側(cè)邊界處對(duì)變形提供一定的約束。在承力條受拉荷載的相反方向，出現(xiàn)水平受壓的應(yīng)變、應(yīng)力區(qū)間。蝴蝶結(jié)試件在水平方向表現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)的位移云圖。

圖17 水平方向位移云圖

圖18-20為豎直方向的數(shù)值結(jié)果?？煽闯鰬?yīng)力云圖與應(yīng)變?cè)茍D表現(xiàn)一致。承力條受荷載方向的另一側(cè)出現(xiàn)較大的應(yīng)力分布，并持續(xù)延續(xù)到夾持邊界。在承力條外側(cè)，單層膜材區(qū)域出現(xiàn)較大應(yīng)力，該區(qū)域是結(jié)點(diǎn)受力較重要的位置。蝴蝶結(jié)試件在豎直方向表現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)的位移云圖。在試件加載位置處具有最大的變形，變形自承力條區(qū)域向邊界逐漸遞減。

圖18 豎直方向應(yīng)變?cè)茍D

圖19 豎直方向應(yīng)力云圖

圖20 豎直方向位移云圖

圖21-22為試件相對(duì)于初始狀態(tài)的剪切應(yīng)變?cè)茍D?？梢钥闯鰬?yīng)變呈近似對(duì)稱(chēng)分布，下端的應(yīng)變最小，上端最大。受力過(guò)程中變形主要發(fā)生在承力帶兩側(cè)的單層材料部分，隨著荷載的增加，承力帶兩側(cè)的褶皺區(qū)域越來(lái)越明顯。

圖21 剪切方向應(yīng)變?cè)茍D

圖22 剪切方向位移云圖

4 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)圖3標(biāo)定的矩形區(qū)域位置，分別提取10kN工況下試驗(yàn)與仿真的數(shù)值結(jié)果，做定量對(duì)比和誤差分析。

4.1 h區(qū)域結(jié)果對(duì)比

因水平應(yīng)變絕對(duì)值接近零，對(duì)比計(jì)算值與試驗(yàn)值的意義不大，僅對(duì)比了剪切應(yīng)變的誤差情況，如表1所示?？梢钥闯鲈囼?yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比良好。雖然膜單元依然具有抗壓的能力，但在集中荷載拉伸下，中間受壓?jiǎn)卧募羟袘?yīng)變接近于零。微小的測(cè)量、計(jì)算偏差就能引入巨大的相對(duì)計(jì)算誤差，因此沒(méi)有計(jì)算相對(duì)誤差。最終平均誤差為5954。

表1 h區(qū)域剪切應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比表(%)

4.2 v區(qū)域結(jié)果對(duì)比

表2中列出了區(qū)域的豎直應(yīng)變誤差情況，因點(diǎn)在測(cè)量區(qū)域邊緣，由于測(cè)試誤差較大將其除去。組區(qū)域與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，在承力條區(qū)域，因剛度較大縱向應(yīng)變較小。自點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入單層膜材區(qū)域，因單層膜材剛度較小，其應(yīng)變值出現(xiàn)較大提高。最終平均誤差為8019。

表2 V區(qū)域豎直應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比表(%)

4.3 f區(qū)域結(jié)果對(duì)比

表3中列出了區(qū)域的最大主應(yīng)變誤差情況，因f點(diǎn)在測(cè)量區(qū)域邊緣，測(cè)試誤差較大，所以除去。f組數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本吻合，在承力條區(qū)域，因剛度較大，應(yīng)變值較小。f是承力區(qū)域到單層膜面區(qū)域的過(guò)渡位置，單層膜材剛度較小，其應(yīng)變值出現(xiàn)較大提高，存在一定的褶皺變形。計(jì)算誤差與試驗(yàn)誤差較大，最終平均誤差計(jì)算值6.757%。

表3 f區(qū)域最大主應(yīng)變數(shù)據(jù)誤差計(jì)算表(%)

5 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值仿真與試驗(yàn)對(duì)蝴蝶結(jié)處于不同荷載下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析。研究了蝴蝶結(jié)膜面在試驗(yàn)工況下的變形、應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)及分布規(guī)律。提出一種試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果定量對(duì)比的方法，發(fā)現(xiàn)對(duì)比結(jié)果的誤差在10以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性與數(shù)值模擬方法的正確性。針對(duì)其它的同類(lèi)試驗(yàn)可以利用該仿真方法進(jìn)行分析，對(duì)蝴蝶結(jié)的力學(xué)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究有著指導(dǎo)借鑒的作用。