飛艇蒙皮材料的拉伸及撕裂力學(xué)性能研究.pdf

1、平流層飛艇因其在遠(yuǎn)程通信、科學(xué)觀測及科學(xué)試驗(yàn)等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，在21世紀(jì)獲得了廣泛關(guān)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(jì)劃，并開展關(guān)鍵技術(shù)研究和飛行驗(yàn)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(guān)鍵技術(shù)和總體技術(shù)的研究。蒙皮材料廣泛應(yīng)用在飛艇的主（副）氣囊、尾翼等結(jié)構(gòu)中，其力學(xué)性能對飛艇結(jié)構(gòu)的性能穩(wěn)定和使用安全至關(guān)重要。目前國內(nèi)外對飛艇蒙皮材料力學(xué)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(kuò)展特征及撕裂強(qiáng)度的研究十分缺乏。因此，本文在拉伸力學(xué)性質(zhì)方面，主要通過雙軸拉伸試驗(yàn)來研究，同時進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，便于系統(tǒng)的研究認(rèn)識蒙皮材料拉伸力學(xué)特征；在撕裂力學(xué)性質(zhì)方面，則通過單、雙軸中心切縫撕裂試驗(yàn)研究，結(jié)合單軸撕裂模型理論分析，以獲得蒙皮材料裂縫擴(kuò)展及撕裂強(qiáng)度特征，為平流層飛艇結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析提供參考。
　　首先，針對蒙皮材料，進(jìn)行了一系列單軸單調(diào)和循環(huán)、雙軸循環(huán)拉伸試驗(yàn)與分析，實(shí)現(xiàn)了對蒙皮材料拉伸力學(xué)

3、響應(yīng)特征的考察，并且結(jié)合經(jīng)緯紗線力學(xué)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(xì)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(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可結(jié)合材料力學(xué)性質(zhì)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布進(jìn)行優(yōu)化，避免出現(xiàn)極端不均衡應(yīng)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(qiáng)弱上，雙軸多應(yīng)力比綜合響應(yīng)曲面弱于單

4、應(yīng)力比應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
　　其次，在單軸單調(diào)和循環(huán)、雙軸循環(huán)拉伸試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)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(jì)算理論。研究表明，膜材雙軸彈性常數(shù)主要受應(yīng)力比、多應(yīng)力比組合、應(yīng)力比對稱性等因素的影響。隨名義應(yīng)力比的增大，經(jīng)緯向彈性模量近似形成“X”型變化趨勢；應(yīng)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(yīng)力比數(shù)量越多彈性常

5、數(shù)計(jì)算結(jié)果越穩(wěn)定。因此，在飛艇結(jié)構(gòu)精細(xì)設(shè)計(jì)與分析時，膜材彈性常數(shù)的確定，宜結(jié)合膜材所屬部件及所處區(qū)域的受力特點(diǎn)，在真實(shí)應(yīng)力比范圍內(nèi)，選取多應(yīng)力比的組合。
　　針對單調(diào)拉伸和雙軸循環(huán)試驗(yàn)，首次采用彈性模量-應(yīng)變關(guān)系曲線和彈性常數(shù)響應(yīng)曲面方法，實(shí)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(jié)果表明，所用方法可有效表征彈性常數(shù)的細(xì)微變化，捕捉膜材真實(shí)力學(xué)參數(shù)特征。在上述分析的基礎(chǔ)上，分別提出基于彈性模量-應(yīng)變關(guān)系的彈性模量積分中值

6、公式及基于響應(yīng)曲面的應(yīng)力空間加權(quán)均值彈性常數(shù)公式。通過計(jì)算對比分析，證實(shí)了兩公式的準(zhǔn)確性和適用性。此外，以雙軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為基礎(chǔ)，提出并推導(dǎo)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(jì)算公式及推導(dǎo)有益補(bǔ)充了膜材彈性常數(shù)的計(jì)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(jìn)行試驗(yàn)與分析，主要考察了切縫長度、切縫傾角、加載速率、應(yīng)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(jìn)行了預(yù)測。對蒙皮材料單軸和雙軸撕裂性質(zhì)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)緯向應(yīng)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(kuò)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(xì)化模型基礎(chǔ)上，引入復(fù)合材料彈性參數(shù)的偏軸轉(zhuǎn)換理論，將模型應(yīng)用范圍拓展到傾斜切縫，進(jìn)而應(yīng)用Griffith能量理論，并結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，針對傾斜

8、切縫模型推導(dǎo)了蒙皮材料抗撕裂強(qiáng)度公式。由理論推導(dǎo)可知，蒙皮材料的抗撕裂強(qiáng)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(guān)，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(qiáng)度理論及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了所推導(dǎo)理論及所得結(jié)論的正確性。
　　第五，基于飛艇蒙皮材料的平紋織物結(jié)構(gòu)特征，建立了具有平面紗線結(jié)構(gòu)的中心切縫撕裂機(jī)理模型，模型應(yīng)用了“等效紗線”及“應(yīng)力集中漸變區(qū)”兩個概念，分別實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的簡化