（中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035）
摘 要：飞艇、系留气球等柔性充气结构一般由织物薄膜材料制作而成，织物薄膜材料在外力作用下的破坏形式一般为沿着纤维方向产生裂口，裂口的产生会使气体外泄，在开展气体泄漏导致的浮力变化分析时关心的是裂口的面积，在进行临界裂纹长度分析时关心的是裂纹的长度，织物薄膜材料的裂口面积与裂口长度的关系是工程上时常关心的问题，本文针对织物薄膜材料的裂口长度与裂口面积的关系进行分析，给出了典型织物薄膜材料的裂口长度与裂口面积的关系曲线，可用于指导工程实践。
关键词：织物薄膜材料、裂口长度、裂口面积
1 概述
飞艇、系留气球等柔性充气结构一般由织物薄膜材料制作而成，织物薄膜材料在外力作用下的破坏形式一般为沿着纤维方向产生裂口，裂口的产生会使气体外泄，在开展气体泄漏导致的浮力变化分析时关心的是裂口的面积，在进行临界裂纹长度分析时关心的是裂纹的长度，织物薄膜材料的裂口面积与裂口长度的关系是工程上时常关心的问题。
2 有限元仿真分析
飞艇、系留球等柔性充气结构通常选用的材料为织物薄膜材料，以3200LV材料为例，其经纬向的拉伸模量约为80GPa，剪切模量约为1 GPa，泊松比为0.3。飞艇、系留球等充气结构沿环向切割后一般为圆筒状，局部可简化为充气圆筒，本文就以3200LV材料制成的充气圆筒为例进行分析，寻找该材料裂口面积与长度的对应关系。
采用大型有限元建模及后处理软件MSC.Patran建立分析模型，圆筒为对称结构，有限元模型取圆筒的一半，模型中不建立两侧端头模型，在圆筒一端端头约束z方向（即圆筒轴向方向）的位移，约束对称面的x方向（即对称面的法线方向），约束远离裂口特征处的水平对称面上的y方向位移。对圆筒壁内侧施加压强800Pa，对未约束的另一端端头弧线上施加81300N的总载荷（根据F=pr2取一半面积计算力）。采用四边形的二维薄膜单元，附3200LV材料的相关属性，有限元模型见图1。
采用大型有限元分析软件MSC.Nastran SOL600模块自适应步长法计算，计算结果图见图3~图6。
图5 500mm长度下受压后的裂口形态
3 分析结果拟合
从以上分析结果可以看出，不同长度的裂口对应的裂口面积不同，长度越大，裂口面积越大，300mm长裂口对应的面积约为12.34 cm2，500mm长裂口对应的面积约为44.48 cm2，700mm长裂口对应的面积约为85.92cm2，900mm长裂口对应的面积约为164.51 cm2。在Excel中进行裂口长度与裂口面积关系的二次拟合，拟合曲线及公式如下，x为裂口面积，y为裂口长度。
图7 裂口长度与裂口面积数据的二次曲线拟合
从以上曲线可以看出，拟合曲线与四个特征点的吻合程度良好，误差极小，满足工程应用。根据图7曲线拟合出的结果公式，若裂口面积为26cm2时，则裂口长度为390mm。
4 结论
本文针对织物薄膜材料的裂口长度与裂口面积的关系进行分析，给出了典型织物薄膜材料的裂口长度与裂口面积的关系曲线，针对不同的材料制成的充气结构，可采用相同的方式进行仿真分析，再通过曲线拟合的方式找到裂口面积与裂口长度的对应关系，进而解决相关工程问题。
Wei?Sun,?Qingbo?Liu,?Kangkang?Li,?Research?on?Congestion?Management?in?Delay-Tolerant?Networks,?International?Conference?on?Computer?Science?and?Information?Technology,?p.612-618,?Singapore,?2012.
论文作者:肖鹏 李元章
论文发表刊物:《科技新时代》2019年5期
论文发表时间:2019/7/22
标签：裂口论文; 长度论文; 面积论文; 织物论文; 薄膜论文; 材料论文; 圆筒论文; 《科技新时代》2019年5期论文;