含切口薄膜结构的皱曲与撕裂行为分析

发布时间：2020-05-19 14:28

【摘要】：薄膜结构由于质量轻、体积小、易于折叠等优异性能,被广泛应用于太阳帆、临近空间飞艇、高空气球、充气机翼等航空航天领域。然而由于薄膜是柔性材料,它的抗弯刚度比较小,当有外力刺入或柔性结构在长期服役状态下,会在薄膜结构表面引入初始微小裂纹缺陷,进而在外力作用下发生结构的拉伸撕裂破坏,从而影响结构的承力性能。裂纹的大小、方向和形式都对薄膜结构的拉伸皱曲有一定的影响,因此研究不同切口形式下薄膜结构的拉伸皱曲及撕裂行为具有重要的意义。首先,对不含切口薄膜的拉伸皱曲行为进行了研究。通过单轴拉伸试验,给出了薄膜皱曲过程的几个标志性阶段,并进行了力学性能测试与分析,得到了薄膜结构在5mm/min单向加载情况下的位移-载荷及应力-应变关系曲线,并借助VIC-3D非接触数字图像相关测量技术获得了褶皱稳定阶段的后屈曲形貌及位移云图,选取了褶皱稳定阶段薄膜结构横截面中心线上的点进行了褶皱形变的分析。同时,分析了不同方向折痕对薄膜拉伸性能的影响。在试验的基础上,进行了相同工况下的数值仿真模拟,并通过试验与仿真的对比,验证了数值模拟在分析该问题时的准确性。其次,探讨了中心含一字型切口薄膜的拉伸撕裂行为分析。结果表明薄膜的撕裂模式属于张开型和撕开型裂纹的组合模式,在裂纹处薄膜发生面外翘曲的过程中伴随着裂纹的扩展演化。同时探讨了一字型切口长度、切口角度及混合一字型切口(V型、W型、Z型、X型、十字型)对薄膜拉伸皱曲及撕裂性能的影响。定义了切口比率、相对断裂强度、相对伸长率、裂纹扩展比等概念,探讨不同裂纹长度、不同切口角度的情况下对薄膜拉伸断裂参数的影响。采用VIC-3D非接触数字图像相关测量技术对不同切口长度下薄膜的拉伸皱曲及断裂过程进行了监测与分析,得到了中心含一字型切口薄膜在单向拉伸状态下的皱曲形貌及位移演化过程。然后,分析了不同切口形式对薄膜拉皱性能的影响。通过对中心含单个圆孔的实验分析,获取了中心含圆孔缺陷的薄膜拉伸皱曲模式,采用VIC-3D非接触数字图像相关测量技术给出了拉伸过程中的褶皱形貌及位移变化特征。构建了薄膜拉皱有限元分析模型,仿真分析了不同切口形式、切口位置对薄膜拉皱行为的影响,仿真结果与实验结果吻合良好,验证了分析模型的有效性。结果表明切口形式、切口位置对薄膜的拉皱行为影响很大,这对于知道控制褶皱和消除褶皱有一定参考意义。最后,研究了薄膜材料在双轴拉伸受力下的力学响应特征。以纯薄膜、含一字型裂纹薄膜、含十字型裂纹薄膜以及含中心圆孔薄膜这几类试件为研究对象,研究了双向拉伸状态下的薄膜皱曲行为特征。结果表明薄膜的双轴拉伸性能受载荷工况影响。
【图文】：

褶皱,失稳变形,薄膜材料,柔性结构

1.1 研究背景和意义从自然界到人类社会生活，薄膜结构广泛存于并得到大量应用，如图 1-1 所示。薄膜材料由于质量轻、发射成本低且易于折叠，因此其在航空航天领域的应用展现出了其充分的优势，大量用于制造空间充气天线、充气球、充气机翼和空间展开飞艇[1-6]。然而薄膜结构由于弯曲刚度比较小，只能承受拉应力，当面内受压时，为了抵抗面外变形，从而形成了褶皱。薄膜出现褶皱之后对结构有很多不利的影响，褶皱对薄膜的表面精度、静态和动态性能都有重要的影响，会降低结构的力学性能和功效。同时，不可忽略的是褶皱的出现在某些场合又展现了其优势，例如微纳尺度下褶皱的产生对柔性电子器件的物理性能和化学性能产生很大影响。此外，在刚柔组合结构使用过程中，刚性部件有可能会刺穿或划破薄膜，导致局部出现切口，切口的产生会改变薄膜结构中原有的应力分布状态，而且，切口处会产生显著的应力集中，在外部载荷继续增加的情况下，切口会随之扩展演化，并进一步改变结构的失稳形式，两者相互影响，使得这样一类问题变得比较复杂。因此，开展含切口薄膜结构的皱曲与撕裂行为分析具有重要的意义。

飞艇,弯皱,褶皱,薄膜

图 1-2 薄膜褶皱及撕裂（a）充气展开薄膜太阳帆；（b）飞艇的弯皱失效在航空领域，，平流层飞艇由于其远程通信、科学观测等方面的优势，在 21 世纪受到了广泛的关注。其中飞艇蒙皮材料广泛应用在主（副）气囊、尾翼等结构中，在飞艇长期服役情况下，通常随着工作时间的延长，飞艇蒙皮会出现老化，进而累积成一定的损伤，蒙皮上会出现微小的初始裂纹或缺陷，如图 1-3 所示。同时，在飞艇膜结构组装或工作过程中，由于尖利物刺破等因素，不可避免会引入裂纹或孔隙等缺陷。只要缺陷邻近区域纱线的应力足以使切口发生扩展，张拉应力状态下的蒙皮材料就存在失效的可能，进而导致飞艇结构发生失效破坏[12-14]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2

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