摘 要:囊體是飛艇結構的主要部件,在飛艇的研制過程中,需要確定囊體材料剪切模量,以對飛艇結構完整性分析提供依據(jù)。偏軸拉伸試驗是一種常用的測量材料剪切模量的方法。文章基于復合材料彈性矩陣,對該方法進行理論分析。
關鍵詞:囊體材料;偏軸拉伸;剪切模量;理論分析
引言
近年來,國際飛艇/系留氣球等浮空器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,各國都立項了大批浮空器項目。對于浮空器來說,囊體是其主要構件之一,它是整個浮空器系統(tǒng)的浮力源,需要承受浮空器飛行/懸停過程中的氣動力、推進裝置的推力等各種載荷。因此,浮空器囊體材料的性能,尤其是力學性能,對浮空器的研發(fā)設計非常重要。
浮空器囊體材料是一種柔性層合薄膜材料,這是一種新興的復合材料。在浮空器的設計工作中,飛艇設計人員需要準確掌握囊體材料的各種力學性能,比如囊體材料的彈性模量,剪切模量就是彈性模量的重要組成部分。受材料的非線性等多種因素的影響,且囊體材料中難以產(chǎn)生純剪應力狀態(tài),很難得到囊體材料的剪切模量。45度偏軸拉伸試驗是常用的測量材料面內(nèi)剪切模量的方法[1,2,3,4],文章將從理論分析角度,分析45偏軸拉伸法測量剪切模量的理論依據(jù)。
1 試驗方法簡介[5]
45度偏軸拉伸法測囊體材料剪切模量的基本方法是:用囊體材料制作一個長方形的測試試樣(比如長寬分別為400mm、100mm),纖維方向與試樣材料的主方向分別成45度角,將試樣一端夾持固定,另一端加載;另外需同時測量試驗中心區(qū)域長邊和短邊方向上的應變,計算剪切模量時會用到這個參數(shù)。偏軸拉伸法測量剪切模量如圖1所示,圖1中斜線表示材料主方向。
圖1 偏軸拉伸法示意圖
2 應力應變分析
對于正交各向異性復合材料,若其主軸分別為w軸、f軸,則其各個方向應力與應變的關系為
這就是文獻中的公式4-11。
3 結束語
基于正交各向異性復合材料各個方向應力與應變的關系,得到了當主應力方向與材料主方向成45°的情況下,材料剪切模量與正應力、正應變的關系式。特別的,當某一方向主應力為0時,該關系式與文獻吻合。
參考文獻
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[3]黃賽帥,陳務軍,董石麟.飛艇囊體膜材彈性常數(shù)雙向拉伸測試與分析方法[J].空間結構,2011,17(2):84-89.
[4]王言磊,郝慶多,歐進萍.復合材料層合板面內(nèi)剪切試驗方法的評價[J].玻璃鋼/復合材料,2007,3,6-8.
[5]沈觀林,胡更開.復合材料力學[Z].2006.
作者簡介:李偉,就職于中航通飛研究院有限公司,工程師,從事飛行器強度設計專業(yè)。
何巍,就職于中國特種飛行器研究所,高工,從事飛行器強度設計專業(yè)。
任三元,就職于中國特種飛行器研究所,研究員,從事飛行器強度設計專業(yè)。