大型平流层平台柔性飞艇结构分析理论与特性研究

摘要

大型平流层平台柔性飞艇是高分辨率对地观测系统的有效平台，具有巨大的军民应用价值。现代柔性飞艇研制涵盖新材料、结构、能源、动力以及控制等多种学科，飞艇结构是其中一个重要的研究领域。本文目的是进行薄膜充气梁及柔性飞艇结构分析理论与结构特性的研究，形成有效数值分析方法，初步掌握一般柔性飞艇结构特性，为大型平流层平台柔性飞艇的设计与制造进行技术储备。
　　 按照研究内容，本文分别对柔性飞艇力学分析理论、柔性飞艇结构分析的数值模拟方法、柔性飞艇模态分析方法及性能研究、大型平流层平台柔性飞艇结构体系设计与分析研究、柔性飞艇材料力学试验五个方面开展了研究工作：
　　 首先，对柔性飞艇力学分析理论开展研究。阐述了飞艇的空气静力学原理，推导了基于无矩壳理论的飞艇应力计算式和分别基于弹性理论以及铁木辛柯梁理论的薄膜充气梁变形计算式，并将此计算式进行了推广，实现了考虑气压效应的飞艇变形理论分析。随后，计算了25m验证飞艇的基本结构性能参数。
　　 其次，对柔性飞艇结构受力与变形进行了数值计算分析。介绍了基于铁木辛柯梁的有限元理论和薄膜充气结构非线性有限元理论，分别采用两种有限元算法对薄膜充气梁进行了数值模拟计算，确定了采用膜单元的非线性有限元算法的有效性，将此方法运用于飞艇数值模拟并同测量值比较，结果进一步验证了分析方法的有效性。
　　 第三，对柔性飞艇模态分析方法及模态特性进行了研究。将干、湿模态的概念引入柔性飞艇的模态分析，首先采用非线性有限元预应力模态分析方法对薄膜充气梁干模态进行研究，分析了薄膜充气梁预应力模态的影响因素。随后介绍了薄膜充气梁湿模态分析理论，分别采用拟密度法和流固耦合法计算得到薄膜充气梁湿模态。最后将柔性薄膜充气梁预应力模态计算方法运用于柔性飞艇的模态计算，考察了内压产生的预应力刚度对飞艇模态的影响，并且计算了验证飞艇的湿模态。
　　 第四，对大型平流层平台柔性飞艇结构体系进行了分析研究。针对单一超大型柔性飞艇方案，分析了软式、半硬式飞艇多种体系布局的可实现性以及优劣性。采用25m验证飞艇体形参数，提出了十种结构体系布局，并基于平衡形态原理建立了分析模型，进行了系统的数值计算和分析。
　　 第五，对柔性飞艇用薄膜材料和CFRP材料进行了一系列力学性能试验。分别对五种飞艇用膜材：Uretek3216L、Uretek3216LV、Aeros-423、Uretek3216A和Uretek3224型膜材进行了单向拉伸强度试验、往返加载试验和徐变试验。对其中的Uretek3216L和Uretek3216LV型膜材还进行了对接背贴焊缝性能试验。对CFRP材料分别进行了复合布单向拉伸试验、复合管和复合板弯曲破坏试验。通过试验得到了此类膜材和CFRP材料相关的力学性能参数，为验证飞艇设计制造提供依据。
　　 论文最后对本文的研究成果进行了总结，并指出了今后的研究方向。