浮空器蒙皮力学行为分析及本构建模

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29588

固体力学与飞行器总体设计

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

浮空器蒙皮力学行为分析及本构建模

夏云超¹^,², 邓健¹^,², 王增贤¹^,², 刘强¹^,²(), 卢天健¹^,²

^1.南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室，南京 210016
^2.南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构工信部重点实验室，南京 210016

收稿日期:2023-09-15 修回日期:2023-09-25 接受日期:2023-10-30 出版日期:2023-11-22 发布日期:2023-11-09
通讯作者: 刘强 E-mail:liuqiang2015@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2021YFF0501800);国家自然科学基金(11972185);江苏省自然科学基金(BK20200409);江苏省“双创博士”计划(JSSCBS20210618);中央高校基本科研业务费专项资金(NT2022001);中国博士后科学基金(2022M721609)

Mechanical behavior of aerostat envelope and constitutive modeling

Yunchao XIA¹^,², Jian DENG¹^,², Zengxian WANG¹^,², Qiang LIU¹^,²(), Tianjian LU¹^,²

^1.State Key Laboratory of Mechanics and Control for Aerospace Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 　210016，China
^2.MIIT Key Laboratory of Multifunctional Lightweight Materials and Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 　210016，China

Received:2023-09-15 Revised:2023-09-25 Accepted:2023-10-30 Online:2023-11-22 Published:2023-11-09
Contact: Qiang LIU E-mail:liuqiang2015@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2021YFF0501800);National Natural Science Foundation of China(11972185);Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20200409);The High Level Personnel Project of Jiangsu Province(JSSCBS20210618);The Fundamental Research Funds for the Central Universities(NT2022001);China Postdoctoral Science Foundation(2022M721609)

摘要/Abstract

摘要：

为了满足承载及特殊的环境适应性需求，在临近空间服役的浮空器囊体蒙皮由高性能纤维织物、阻氦层、耐候层、粘接层等构成。由于囊体充压水平直接决定了浮空器的承载能力，因此有必要建立能够对蒙皮等效力学行为进行准确预测的本构模型，为浮空器强度和寿命设计奠定基础。考虑到蒙皮由多组分材料构成，通过试验分析了纤维织物和功能层对蒙皮等效力学性能的协同影响。根据试验研究结果，发展了能够描述蒙皮各向异性、非线性力学行为的等效本构模型，预测了蒙皮在正轴和偏轴拉伸过程中其宏观应力、纱线剪切角、试样截面收缩率的变化规律。浮空器蒙皮的本构模拟与试验结果取得了较好的吻合，二者相结合揭示了蒙皮宏观力学响应与微结构变形之间的联系。

关键词: 浮空器蒙皮, 本构模型, 微结构变形, 各向异性, 非线性

Abstract:

To meet the requirements of load-bearing and special environmental adaptability， the envelope of near-space operational aerostats consists of multiple layers， such as high-performance fiber fabrics， helium barrier layers， weather layers， and adhesive layers. Since the internal pressure inside the envelope directly determines load-bearing capacity of the aerostat， it is necessary to develop a reliable constitutive model to predict the equivalent mechanical properties of the envelope， which therefore， lays the foundation for strength and life evaluations of the airship. Effects of fiber fabrics and functional layers on the equivalent mechanical properties of the envelope were investigated by experimental characterizations. Based on experimental results， an equivalent constitutive model was developed to study the anisotropic and nonlinear mechanical behavior of the envelope. For both uniaxial and off-axis tensile conditions， predictions on the effective stress， yarn shear angle and specimen cross-sectional contraction agree well with experimental results. The combined experimental and numerical studies have led to insightful understanding between the overall mechanical response and microstructure deformation of the envelope.

Key words: aerostat envelope, constitutive model, microstructure deformation, anisotropy, nonlinearity

中图分类号:

V274

夏云超, 邓健, 王增贤, 刘强, 卢天健. 浮空器蒙皮力学行为分析及本构建模[J]. 航空学报, 2024, 45(13): 229588-229588.

Yunchao XIA, Jian DENG, Zengxian WANG, Qiang LIU, Tianjian LU. Mechanical behavior of aerostat envelope and constitutive modeling[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(13): 229588-229588.

图/表 15

图1

图2

图3

图4

图 5

图6

图7

表1

模型中经纬向材料的属性和参数

方向	$E i 1$ /MPa	$E i 2$ /MPa	β_i	ε_i_，crimp	ε_i_，trans
纬向（i=1）	3 500	53 500	200	0.009	0.03
经向（i=2）	2 500	48 500	200	0.018	0.03

表1

表2

模型中材料的几何和剪切参数

参数类别	参数	数值
剪切参数	C₁/（N·mm）	0.5
	C₂/rad^-1	80
	C₃/（N·mm）	0.08
	C₄/rad^-1	2.47
	γ₀/rad	0.5
几何参数	$w 10$ /mm	0.458
	$w 20$ /mm	0.458
	t_f/mm	0.15
	ρ_fiber/（g·cm^-3）	1.44
	T_D/D	600

表2

图8

图9

图10

图11

图12

图13

参考文献 29

1	谭惠丰，刘羽熙，刘宇艳，等. 临近空间飞艇蒙皮材料研究进展和需求分析［J］. 复合材料学报， 2012， 29（6）： 1-8.
	TAN H F， LIU Y X， LIU Y Y， et al. Research progress and requirement analysis of envelope materials for near space airship［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2012， 29（6）： 1-8 （in Chinese）.
2	谭惠丰，王超，王长国. 实现结构轻量化的新型平流层飞艇研究进展［J］. 航空学报， 2010， 31（2）： 257-264.
	TAN H F， WANG C， WANG C G. Progress of new type stratospheric airships for realization of lightweight［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2010， 31（2）： 257-264 （in Chinese）.
3	赵达，刘东旭，孙康文，等. 平流层飞艇研制现状、技术难点及发展趋势［J］. 航空学报， 2016， 37（1）： 45-56.
	ZHAO D， LIU D X， SUN K W， et al. Research status， technical difficulties and development trend of stratospheric airship［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2016， 37（1）： 45-56 （in Chinese）.
4	ZUO Z Y， SONG J W， ZHENG Z W， et al. A survey on modelling， control and challenges of stratospheric airships［J］. Control Engineering Practice， 2022， 119： 104979.
5	ZHAO B， HU J H， CHEN W J， et al. A nonlinear uniaxial stress-strain constitutive model for viscoelastic membrane materials［J］. Polymer Testing， 2020， 90： 106633.
6	CHEN J W， CHEN W J， WANG M Y， et al. Mechanical behaviors and elastic parameters of laminated fabric URETEK3216LV subjected to uniaxial and biaxial loading［J］. Applied Composite Materials， 2017， 24（5）： 1107-1136.
7	WANG F X， CHEN Y L， XU W L， et al. Experimental study on uniaxial tensile and welding performance of a new coated fabric for airship envelopes［J］. Journal of Industrial Textiles， 2017， 46： 1474-1497.
8	鲁国富，邱振宇，高成军，等. 基于双轴拉伸试验的飞艇蒙皮材料非线性分析［J］. 复合材料学报， 2018， 35（5）： 1166-1171.
	LU G F， QIU Z Y， GAO C J， et al. Nonlinear analysis based on biaxial tensile test of airship envelope fabrics［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2018， 35（5）： 1166-1171 （in Chinese）.
9	CHEN J W， CHEN W J， ZHANG D X. Experimental study on uniaxial and biaxial tensile properties of coated fabric for airship envelopes［J］. Journal of Reinforced Plastics and Composites， 2014， 33（7）： 630-647.
10	LIU L B， CAO S， ZHU M. Mechanical characteristics of stratospheric airship envelope of vectran fibre-reinforced-laminated composite［J］. Materials Research Innovations， 2015， 19（S5）： S5-606-S5-612.
11	GLASER R， CACCESE V. Experimental methods to determine in-plane material properties of polyurethane-coated nylon fabric［J］. Journal of the Textile Institute， 2013， 104（7）： 682-698.
12	何世赞，陈务军，高成军，等. 浮空器蒙皮膜复合材料单轴拉伸力学性能及弹性常数［J］. 复合材料学报， 2017， 34（1）： 224-230.
	HE S Z， CHEN W J， GAO C J， et al. Uni-axial tensile mechanical properties and elastic constants of airship envelope material［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2017， 34（1）： 224-230 （in Chinese）.
13	WANG F X， CHEN Y L， LIU G Z， et al. Investigation of the tearing properties of a new airship envelope fabric based on experimental and theoretical methods［J］. Journal of Industrial Textiles， 2019， 48（8）： 1327-1347.
14	丁凯，陈永霖，陈亚飞，等. 平流层飞艇蒙皮材料撕裂性能影响因素研究［J］. 空间结构， 2021， 27（3）： 61-67.
	DING K， CHEN Y L， CHEN Y F， et al. Study on factors influencing tearing properties of stratospheric airship envelope materials［J］. Spatial Structures， 2021， 27（3）： 61-67 （in Chinese）.
15	YOUNG L， GARDE G， STERLING W. A practical approach for scientific balloon film strain measurement using photogrammetry［C］∥Proceedings of the AIAA Balloon Systems Conference. Reston： AIAA， 2007.
16	LI S P， CHEN L L， SONG Y B， et al. Pressure-bearing performance of sliding poly-p-phenylene benzobisoxazole-rope-reinforced spherical composite envelope structures［J］. Thin-Walled Structures， 2022， 180： 109929.
17	MENG J H， LV M Y， QU Z P， et al. Mechanical properties and strength criteria of fabric membrane for the stratospheric airship envelope［J］. Applied Composite Materials， 2017， 24（1）： 77-95.
18	罗锡林. 国产F-12蒙皮材料性能表征及充压囊体全场形变测试方法［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2018.
	LUO X L. Mechanical properties of F-12 envelope materials and full-field deformation test method in air-inflated capsule structrue［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2018 （in Chinese）.
19	MIAO Y Y， ZHOU E， WANG Y Q， et al. Mechanics of textile composites： Micro-geometry［J］. Composites Science and Technology， 2008， 68（7-8）： 1671-1678.
20	XIE W C， WANG X L， DUAN D P， et al. Finite element simulation of the microstructure of stratospheric airship envelopes［J］. AIAA Journal， 2020， 58（8）： 3690-3699.
21	NILAKANTAN G， KEEFE M， WETZEL E D， et al. Computational modeling of the probabilistic impact response of flexible fabrics［J］. Composite Structures， 2011， 93（12）： 3163-3174.
22	DINH T D， WEEGER O， KAIJIMA S， et al. Prediction of mechanical properties of knitted fabrics under tensile and shear loading： Mesoscale analysis using representative unit cells and its validation［J］. Composites Part B： Engineering， 2018， 148： 81-92.
23	CHEN B， COLMARS J， NAOUAR N， et al. A hypoelastic stress resultant shell approach for simulations of textile composite reinforcement forming［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2021， 149： 106558.
24	GATOUILLAT S， BAREGGI A， VIDAL-SALLÉ E， et al. Meso modelling for composite preform shaping-Simulation of the loss of cohesion of the woven fiber network［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing，2013， 54： 135-144.
25	CHARMETANT A， VIDAL-SALLÉ E， BOISSE P. Hyperelastic modelling for mesoscopic analyses of composite reinforcements［J］. Composites Science and Technology， 2011， 71（14）： 1623-1631.
26	KING M， JEARANAISILAWONG P， SOCRATE S. A continuum constitutive model for the mechanical behavior of woven fabrics［J］. International Journal of Solids and Structures， 2004， 42（13）： 3867-3896.
27	EROL O， POWERS B， KEEFE M. Development of a non-orthogonal macroscale material model for advanced woven fabrics based on mesoscale structure［J］. Composites Part B： Engineering， 2017， 110： 497-510.
28	ZHU D J， MOBASHER B， VAIDYA A， et al. Mechanical behaviors of Kevlar 49 fabric subjected to uniaxial， biaxial tension and in-plane large shear deformation［J］. Composites Science and Technology， 2013， 74： 121-130.
29	HÄRTEL F， HARRISON P. Evaluation of normalisation methods for uniaxial bias extension tests on engineering fabrics［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2014， 67： 61-69.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	郑峰婴, 沈志敏, 李雅琴, 徐楷钊, 王新华. 共轴高速直升机增益自适应多模式切换控制[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529088-529088.
[2]	仇钰清, 李俨, 郎金溪, 刘育衔, 王重. 高速直升机过渡模态鲁棒自适应姿态控制[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529927-529927.
[3]	吴文昌, 马燕凯, 韩省思, 闵耀兵, 燕振国. 一种光滑型TENO非线性加权的WCNS格式[J]. 航空学报, 2024, 45(8): 129052-129052.
[4]	樊哲铭, 杨未柱, 曾延, 赵哲南, 李磊. 激光熔覆修复GH4169合金各向异性拉伸性能[J]. 航空学报, 2024, 45(8): 429129-429129.
[5]	司和勇, 王瑶俐, 曹丽华, 陈东超. 超临界二氧化碳涡轮升速过渡中密封-转子系统的动力学行为[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 228652-228652.
[6]	谭星, 陈卫婷, 王陶, 何欢. 局部非线性结构自由界面子结构模态综合法[J]. 航空学报, 2024, 45(13): 229550-229550.
[7]	付佳伟, 杨泽斐, 蔡亚辉, 聂祥樊, 齐乐华. 基于高速冲击异质惯性场的金属各向异性动态力学属性虚场表征法[J]. 航空学报, 2024, 45(10): 229221-229221.
[8]	张大蔚, 刘国平. 时变通信约束下航天器绕飞的高阶全驱预测控制方法[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628633-628633.
[9]	吴紫怡, 何绍溟, 王亚东, 李虹言. 针对运动目标的可观性增强非线性最优制导律[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729750-729750.
[10]	郝文康, 包素艳, 陈琪锋. 基于端口哈密顿系统的无人机编队分布式控制[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729868-729868.
[11]	曾宇, 汪洪波, 孙明波, 王超, 刘旭. SST湍流模型改进研究综述[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 27411-027411.
[12]	王培涵, 吴志刚, 杨超, 孙晓旭. 一种适用于弹性飞机飞行仿真的补丁方法[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 127038-127038.
[13]	赵欢, 高正红, 夏露. 基于新型多可信度代理模型的多目标优化方法[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 126962-126962.
[14]	刘斌, 许靖, 霍美玲, 崔学英, 谢秀峰, 杨栋辉, 王嘉. 基于多尺度自适应注意力网络的剩余寿命预测[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 226918-226918.
[15]	赵欢, 高正红, 夏露. 基于新型高维代理模型的气动外形设计方法[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 126924-126924.

浮空器蒙皮力学行为分析及本构建模

Mechanical behavior of aerostat envelope and constitutive modeling

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 15

参考文献 29

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价