飛艇蒙皮材料的拉伸及撕裂力學性能研究.pdf

1、平流層飛艇因其在遠程通信、科學觀測及科學試驗等方面具有獨特的優(yōu)勢，在21世紀獲得了廣泛關注。世界主要軍事大國一致看好平流層飛艇，相繼制定發(fā)展計劃，并開展關鍵技術研究和飛行驗證。我國已制定了平流層飛艇的發(fā)展路線圖，同時開展了能源、材料等關鍵技術和總體技術的研究。蒙皮材料廣泛應用在飛艇的主（副）氣囊、尾翼等結構中，其力學性能對飛艇結構的性能穩(wěn)定和使用安全至關重要。目前國內(nèi)外對飛艇蒙皮材料力學性質(zhì)的研究，集中于單軸拉伸，雙軸拉伸研究的非常少，

2、同時對蒙皮材料的裂紋擴展特征及撕裂強度的研究十分缺乏。因此，本文在拉伸力學性質(zhì)方面，主要通過雙軸拉伸試驗來研究，同時進行單軸拉伸試驗，便于系統(tǒng)的研究認識蒙皮材料拉伸力學特征；在撕裂力學性質(zhì)方面，則通過單、雙軸中心切縫撕裂試驗研究，結合單軸撕裂模型理論分析，以獲得蒙皮材料裂縫擴展及撕裂強度特征，為平流層飛艇結構的設計與分析提供參考。
　　首先，針對蒙皮材料，進行了一系列單軸單調(diào)和循環(huán)、雙軸循環(huán)拉伸試驗與分析，實現(xiàn)了對蒙皮材料拉伸力學

3、響應特征的考察，并且結合經(jīng)緯紗線力學性質(zhì)、卷曲特征，揭示蒙皮材料非線性、正交異性特征產(chǎn)生的原因。研究表明，蒙皮材料單調(diào)拉伸破壞類型可細化為三類：傾斜串型、平行斷裂型和頸縮型，均屬積累損傷型破壞。雙軸經(jīng)緯向應力差異較大時，易造成膜面松弛、褶皺等不利變形狀態(tài)。在飛艇結構設計中，可結合材料力學性質(zhì)對結構應力分布進行優(yōu)化，避免出現(xiàn)極端不均衡應力比。此外，循環(huán)荷載作用可有效減弱蒙皮材料的非線性特征，但在體現(xiàn)的強弱上，雙軸多應力比綜合響應曲面弱于單

4、應力比應力-應變曲線。
　　其次，在單軸單調(diào)和循環(huán)、雙軸循環(huán)拉伸試驗分析的基礎上，系統(tǒng)研究了蒙皮材料在單軸和雙軸受力下彈性常數(shù)變化規(guī)律和分布特征，深入研究了膜材彈性參數(shù)的影響因素和計算理論。研究表明，膜材雙軸彈性常數(shù)主要受應力比、多應力比組合、應力比對稱性等因素的影響。隨名義應力比的增大，經(jīng)緯向彈性模量近似形成“X”型變化趨勢；應力比組合中比例數(shù)目及對稱性特征均可引起蒙皮材料彈性模量近10％的起伏幅度，且組合中應力比數(shù)量越多彈性常

5、數(shù)計算結果越穩(wěn)定。因此，在飛艇結構精細設計與分析時，膜材彈性常數(shù)的確定，宜結合膜材所屬部件及所處區(qū)域的受力特點，在真實應力比范圍內(nèi)，選取多應力比的組合。
　　針對單調(diào)拉伸和雙軸循環(huán)試驗，首次采用彈性模量-應變關系曲線和彈性常數(shù)響應曲面方法，實現(xiàn)對蒙皮材料彈性常數(shù)變化規(guī)律、分布特征的深入考察。結果表明，所用方法可有效表征彈性常數(shù)的細微變化，捕捉膜材真實力學參數(shù)特征。在上述分析的基礎上，分別提出基于彈性模量-應變關系的彈性模量積分中值

6、公式及基于響應曲面的應力空間加權均值彈性常數(shù)公式。通過計算對比分析，證實了兩公式的準確性和適用性。此外，以雙軸應力應變關系為基礎，提出并推導了膜材雙軸耦合彈性模量公式，歸納分析了耦合彈性模量的變化規(guī)律。上述計算公式及推導有益補充了膜材彈性常數(shù)的計算方法。
　　第三，采用中心切縫撕裂方式，對蒙皮材料的單軸和雙軸拉伸撕裂性能進行試驗與分析，主要考察了切縫長度、切縫傾角、加載速率、應力比例等因素對蒙皮材料抗撕裂性質(zhì)的影響，得到了蒙皮材料

7、在單軸和雙軸拉伸作用下的抗撕裂承載力的變化規(guī)律，并對蒙皮材料的容許撕裂力及容許切縫長度進行了預測。對蒙皮材料單軸和雙軸撕裂性質(zhì)進行比較分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)緯向應力比顯著影響蒙皮撕裂性質(zhì)，且因切縫平行方向拉力對撕裂擴展的約束阻礙作用，使雙軸抗撕裂承載力出現(xiàn)高于單軸的情況。
　　第四，在Hedgepeth細化模型基礎上，引入復合材料彈性參數(shù)的偏軸轉(zhuǎn)換理論，將模型應用范圍拓展到傾斜切縫，進而應用Griffith能量理論，并結合試驗現(xiàn)象，針對傾斜

8、切縫模型推導了蒙皮材料抗撕裂強度公式。由理論推導可知，蒙皮材料的抗撕裂強度與材料的彈性參數(shù)、紗線編織密度（內(nèi)因）及裂縫傾角、裂縫長度（外因）有關，是由膜材材料性質(zhì)及損傷參數(shù)共同決定的。通過與其它撕裂強度理論及試驗結果進行對比分析，驗證了所推導理論及所得結論的正確性。
　　第五，基于飛艇蒙皮材料的平紋織物結構特征，建立了具有平面紗線結構的中心切縫撕裂機理模型，模型應用了“等效紗線”及“應力集中漸變區(qū)”兩個概念，分別實現(xiàn)模型參數(shù)的簡化