平流层飞艇蒙皮材料I型裂纹研究

 飞艇在平流层环境中受高低温交变、臭氧、紫外辐射等恶劣工况的影响。为研究平流层飞艇蒙皮材料I 型裂纹特性,在单轴向拉伸载荷下,分析了含有初始裂纹的蒙皮材料撕裂裂纹尖端区域变形场的测试方法和裂纹扩展特征。通过初始长度均为20 mm 的单边切口人工模拟预制裂纹试样,采用数字散斑相关方法试验,分别获得I 型裂纹尖端和垂直裂纹尖端的位移场和应变场分布,结合散斑变形图进行相关计算,发现撕裂裂纹扩展过程为近似的脆性断裂特征,垂直于撕裂裂纹扩展方向的材料试样裂纹尖端变形场呈现为离散阶跃变化特征。研究结果表明：该方法可以测量平流层飞艇蒙皮用的柔性层压织物的I 型裂纹尖端变形场,揭示裂纹尖端初始裂纹的扩展规律和演化特征,获得的大范围屈服裂尖长度的裂纹尖端的变形值曲线,可为平流层飞艇蒙皮材料的撕裂损伤变化分析和裂纹尖端变形场测试提供有效的方法。     

临近空间飞艇蒙皮用材料撕裂行为的数字散斑法研究

针对Vectran纤维增强型临近空间飞艇蒙皮用的柔性层压织物复合材料,利用非接触式数字散斑相关试验方法,测定了预制初始裂纹长度为15 mm的中心切口试样撕裂行为的位移场和应变场分布,定量测量了撕裂试样不同撕裂载荷工况下的全场变形值和平面应力撕裂断裂韧性值,对中心切口裂纹的撕裂强度进行了分析。试验结果表明:该方法可以用来测量临近空间飞艇蒙皮用的柔性层压复合织物大范围变形的撕裂裂纹尖端及附近区域的变形场,通过变形场云图可以获得撕裂裂纹扩展过程中的变形特征,并可直观的研究撕裂裂纹尖端复杂变形场的形态,为临近空间飞艇蒙皮材料的撕裂损伤行为研究提供新的试验途径。     

考虑蒙皮透射率的飞艇热力学模型及其热特性

以平流层飞艇为研究对象,在考虑飞艇表面蒙皮的透射特性以及内部填充气体对辐射的吸收率与发射率的基础上,推导出飞艇表面蒙皮及内部填充气体的热力学方程.通过有限拆分法建立了考虑蒙皮透射率的飞艇热力学仿真模型,并分析比较了典型蒙皮材料下飞艇的热力学特性.通过将飞艇外形建模和表面离散化处理,针对每个单元和内部填充气体进行瞬态热特性数值计算,分析了仿真模型中网格划分及时间步长对计算结果的影响.通过相关实验数据对所建立的模型及其求解方法的可靠有效性进行了验证,分析比较了不同特性蒙皮材料的飞艇热特性及其变化规律.     

考虑组分相互作用的飞艇蒙皮材料力学模型

平流层空间空气稀薄,昼夜温差变化剧烈,巡航状态的平流层飞艇需要承受较大的循环压差载荷。蒙皮作为平流层飞艇的主要承力结构,其材料力学性能直接影响着飞艇的使用性。针对蒙皮材料层压结构特点,构建其细观结构模型。通过研究拉伸过程中纤维纱束与基体和膜层的相互作用,指出承力方向纤维纱束的变形过程分为弯曲状态逐步拉直和产生伸长形变两个阶段。建立了蒙皮材料拉伸过程的非线性力学模型;并通过与准静态拉伸试验获得的材料应力-应变曲线进行对比分析,校验了模型的准确性并分析了模型参数的改变对材料力学性能的影响,为平流层飞艇蒙皮材料结构优化设计提供依据。     

平流层飞艇光伏电池传热特性

太阳能是平流层飞艇的理想能源,其热特性与飞艇浮力,蒙皮强度息息相关。准确预测飞艇的温度场是飞艇设计的重要步骤,但现有研究缺乏对太阳能电池的热特性分析。本文提出了一种包括太阳辐射,天空、地面长波辐射,蒙皮红外辐射和对流换热的飞艇模型,将几何模型离散化,编写C++程序计算了和分析了光伏电池的转化效率,吸收率、发射率、热阻和飞艇朝向对飞艇热性能、光伏阵列输出功率的影响。结果表明,较大的光伏阵列转化效率,发射率和等效热阻有利于改善飞艇“超冷”和“超热”现象的改善。光伏电池的辐射特性对光伏电池和氦气温度的影响最大：吸收率从0.5增加到0.9,主氦气囊昼夜温差升高约11.2K,光伏电池最高温度升高约29.8K;发射率0.1增加到0.9,主氦气囊昼夜温差降低约15.3K,光伏电池最高温度降低约50.2K。本文计算结果为飞艇的热稳定性的优化提供参考。     

柔性飞艇主气囊不稳定构型阶段力学性能分析

为了揭示柔性飞艇主气囊不稳定构型阶段的力学性能,首先基于迭代薄膜性能法(IMP)编制可分析薄膜褶皱的子程序,通过对比不同单元类型充气管变形结果,找出一种合理的单元类型进行不稳定构型主气囊模拟.在此基础上,以9m柔性飞艇主气囊简化模型为对象,对简化模型在不同约束状态下不稳定构型阶段外形及应力进行分析.研究表明:气压梯度和模型约束是柔性飞艇主气囊在不稳定构型阶段力学性能的重要影响因素,模型从稳定构型到不稳定构型阶段开始的一段时间,形状变化不大,中间阶段模型发生较大的形状改变.不稳定构型阶段在约束部位较稳定构型时更容易发生强度破坏.研究结果对柔性平流层飞艇主气囊结构设计具有参考价值.     

数字图像相关的不锈钢真实应力应变关系测量

工程上广泛应用的名义应力应变曲线,在材料发生大变形时,由于应力和应变不再沿着试件均匀分布,因而不能真实反映材料在塑性阶段的本构关系。在不锈钢标准板的拉伸试验中连续采集试件散斑表面的数字图像,采用数字图像相关技术对序列数字图像进行相关运算以获得其每个变形状态下的变形场,得到了整个拉伸过程中试件的变形形态。以光学虚拟引伸计的方法分别测量横向和竖向的实时应变数据,结合体积不变理论计算得到真实应力应变曲线。采用Johnson-Cook材料模型对真实应力应变曲线进行拟合,得到了塑性本构关系;最后根据以上实验结果和真实应力应变曲线获取了材料的力学特性参数。实验结果表明了基于数字图像相关方法对不锈钢真实应力应变关系测量的有效性和可靠性,对实验结果的真实应力应变曲线后处理,获得不锈钢材料的弹性模量为169 GPa,屈服强度为236.8 MPa,并获得了Johnson-Cook简化模型的所有三个参数A、B和n的数值。     

多相机数字图像相关在变形灌浆套筒单向拉伸试验中的应用

为研究钢筋套筒灌浆连接的受力性能,建立了适用于大曲率复杂曲面变形测量的多相机数字图像相关系统,并利用此系统对一种变形灌浆套筒进行了单向拉伸试验,跟踪测量了套筒表面的全场变形信息.结果表明:多相机数字图像相关系统能够完整重建灌浆套筒的三维形貌,并获得套筒表面任意位置的变形状态,包括传统应变片方法难以测量的套筒变形段凹槽处变形;将套筒表面应变分布规律与应变片测试结果和有限元分析结果进行对比,证实了多相机数字图像相关系统的可靠性.多相机数字图像相关为研究灌浆套筒的连接性能提供了直观且全面的新试验手段,也为大曲率复杂曲面的三维形貌与变形测量提供了有效的测试方法.     

基于数字图像相关法的混凝土全场变形测量

为了解决混凝土构件实验中大刚体位移、低应变的变形特点使常用测量技术难以胜任实验测试要求的问题,采用提高数字图像相关法(DIC)形函数阶次和选择合适的相关函数以提高图像位移模式识别的精度;结合DIC位移识别精度分析了刚体位移对变形分析的不利影响,根据双点位移识别转动角度和受力变形特点提出了刚体位移消除方法;根据混凝土构件的力学变形特性提出了由位移场求解应变分布的方法,并进行了实测验证.数字模拟试验表明,改进后的数字图像相关法能很好地消除刚体位移的影响和提高测量分析精度,实测验证实验结果也能够很好地解释构件的受力变形分布特征.与目前常用的离散、接触式测量技术相比,针对混凝土构件实验特点进行改进后的数字图像相关法能够更好地适应工程实验测试的要求.     

老化与折皱损伤对飞艇囊体材料单轴拉伸力学性能影响

采用户外暴露试验模拟飞艇囊体材料的自然老化,利用耐揉搓性试验模拟飞艇气囊在加工、运输、储存、收放和服役过程产生的折皱损伤,研究了飞艇囊体材料Uretek3216-LV在短期老化和折皱损伤作用下的单轴拉伸性能退化规律。通过试验数据分析,得到了短期老化和揉搓次数对单轴拉伸强度以及拉伸弹性模量影响的曲线。结果表明:随着老化时间的增加,材料经、纬向的单轴拉伸强度有所降低,但拉伸弹性模量略有增加;随着揉搓次数的增加,材料的单轴拉伸强度和弹性模量均明显降低;当老化和揉搓共同作用于材料时,随着揉搓次数的增加,老化时间对材料单轴拉伸力学性能的影响逐渐减弱。研究结果可为Uretek3216-LV材料应用于飞艇气囊的结构设计与分析提供重要依据。     

温度对平流层飞艇囊体材料蠕变性能的影响

蠕变是长航时平流层飞艇囊体材料的重要性能指标,对飞艇在长时间飞行中结构的稳定性具有重要意义。受限于蠕变试验设备及方法,飞艇囊体材料一般只进行常温的蠕变试验。为研究温度对平流层飞艇囊体材料的蠕变性能的影响,利用可控温的持久蠕变性能测试仪,将蠕变试验温度分别设置为-50、23、60℃,通过持久蠕变试验方法测试不同温度状态下平流层飞艇囊体材料的蠕变性能,计算了囊体材料的蠕变应变并给出了相应的蠕变曲线,分析了温度对平流层囊体材料蠕变性能的影响。结果表明:承力层为Vectran纤维的平流层飞艇囊体材料具有较低的蠕变率;相同应力状态下,蠕变的性能随温度而变化,温度越高,蠕变量越大,蠕变速度越快。可见温度对囊体材料的蠕变量和蠕变速度有明显的影响,在平流层飞艇的设计和分析中需将其作为参考指标。试验方法为平流层飞艇囊体材料的蠕变性能测试提供了新的试验途径,试验分析结果可应用于平流层飞艇的设计和囊体材料的研究,具有一定的工程应用价值。     

基于透明土材料的扩底楔形桩中性点位置测定

扩底楔形桩由于其桩身截面倒楔形结构,可以有效降低负摩阻力对基桩的影响,但是倒楔形面和扩大头的存在对中性点位置的影响却尚不清楚。为了分析扩底楔形桩中纵向截面形式（倒楔形面和扩大头）变化对基桩中性点位置的影响规律;基于透明土材料和数字图像处理PIV（Particle Image Velocimetry）技术,采用非插入式测试方法开展地面堆载作用下扩底楔形桩的中性点位置测定模型试验,测得不同地面堆载等级作用下桩体沉降与桩周土体沉降等变化规律,探讨桩-土相对位移和中性点位置随地面荷载等级的变化规律;同时进行了负摩阻力作用下等截面桩中性点位置测定透明土模型试验作为对比分析。研究结果表明,利用透明土材料来研究扩底楔形桩中性点位置的试验方法在技术上是可行的;本文试验条件下,由于倒楔形面和扩大头的存在,扩底楔形桩的中性点位置明显较常规等截面桩低。     

混凝土楔入劈拉破坏的数字图像相关方法研究

通过无损检测的光学测量方法——数字图像相关方法(DIC),对楔入劈拉试验过程中的混凝土进行了表面应变变化过程的测量。采用高分辨率摄像机进行试件表面图像的采集,通过数字图像相关方法对图片进行后处理,计算出试件表面每一点的应变量。通过对应变云图的分析,研究了混凝土在楔入劈拉试验过程中的裂纹扩展。结果表明,混凝土微裂纹往往出现在砂浆和骨料的边界处,并由此发展,此方法可以预判混凝土试件的破坏位置,可以用于结构监测和检测。     

基于电动控制平流层飞艇排气阀设计与研究

排气阀是平流层飞艇压力调节控制系统的核心部件,其性能直接影响飞艇的安全运行。针对传统排气阀灵活性差以及控制精度不高等缺点,提出一种基于电动控制的平流层飞艇排气阀新方案。介绍了阀门的设计要求、结构特点以及控制原理。运用流体力学基本原理并结合地面测试试验,分析了排气阀的实际流量系数,获得了排气阀的精确流量。通过平流层飞艇飞行试验验证了新方案的可行性,结果表明,采用该方案的排气阀能够满足平流层飞艇飞行要求,为飞艇长时间飞行和压力调节提供了技术支持。     

含裂隙类岩石试样单轴抗压强度特征及裂纹演化规律

通过研究含复杂裂隙岩体性质，甄别岩体中关键裂隙，进而简化裂隙网络.基于3D打印技术制备含裂隙类岩石试样，利用数字图像相关(DIC)技术和颗粒流软件PFC研究了试样应变场变化、试样内局部应力分布状态和破裂模式.研究结果表明:1)相较于完整试样，含水平裂隙试样的峰值强度降低了20.9%，含垂直裂隙试样的峰值强度仅降低3%左右，水平裂隙对试样的劣化效果更显著;2)水平裂隙中部拉应力远超垂直裂隙端部应力，因此含水平裂隙试样更易且更早产生拉伸裂纹，导致含水平裂隙试样强度低于含垂直裂隙试样强度;3)当十字交叉裂隙中垂直裂隙长度为水平裂隙长度的1~2倍时，十字交叉裂隙中的水平裂隙是控制试样裂纹演化及强度特征的关键裂隙，因此十字交叉裂隙可简化为水平裂隙.     

飞艇附加质量的水动力模型试验技术研究

为了提高飞艇附加质量的测量精度,通过开展飞艇附加质量的水动力模型试验技术研究,将标准椭球体模型、飞艇水动力模型在水中强迫正弦周期性往复运动得到的力和力矩与在空气中强迫正弦周期性往复运动得到的力和力矩,对应相减,求得其与运动的同相分量,依据公式,换算得到相应的飞艇附加质量。试验结果表明:标准椭球体主方向上的附加质量均不大于理论值的10%,表明了飞艇附加质量的水动力模型试验技术是有效的,可以替代并补充风洞附加质量试验技术。     

基于数字图像相关的机翼有限元模型试验验证

针对无人机机翼承载变形,传统测试系统只能提供离散、有限个数据点用于有限元模型验证的局限性,采用数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法,测量某无人机机翼在压缩载荷作用下蒙皮表面的挠度场和应变场。基于MATLAB最近点迭代算法,实现数值模拟与180 000个DIC数据点的线性回归分析。结果表明:三组试验测得翼尖最大位移分别为92.8 mm、89.5 mm和87.5 mm,模拟结果为86.2 mm,相对误差均在10%以内;两段分析区域的展向正应变场,平均试验结果与模拟的相关系数分别为0.88和0.87,两者吻合度良好,所建立的有限元模型合理。