飞艇充气囊体变形规律的探究

摘要

在平流层飞艇平台这一大曲率大体积柔性充气膜结构的研究中，充气膜结构的整体和局部变形分析是膜结构结构分析的重要内容之一，因为结构囊体的整体和局部变形分析不仅有助于指导囊体结构的制造，而且有利于能源系统、推进系统等外部搭载系统设备的安装，同时，在获知外部环境后，通过囊体变形能预测飞艇工作寿命。因此，探究飞艇充气囊体变形规律对于平流层飞艇的成功研制有重大的现实意义。
　　本文选用飞艇囊体外形为一种典型的三叶玫瑰线形，以经典力学理论和商用有限元软件为两大工具，使用控制变量的方法，对影响飞艇囊体变形的四个抗力指标和三个荷载效应指标进行了探究。
　　首先，使用经典力学理论对飞艇进行了静力学分析，确定了囊体内外压差的范围，推导了囊体应力、应变计算公式，并验证了铁木辛柯梁理论在分析充气膜结构中的正确性。
　　其次，从飞艇囊体的大曲率大体积柔性的特点出发，结合有限单元法的基本原理，提出了解决该类问题的一般方法。由于飞艇头锥、尾锥曲率较大，数值计算时网格难以划分，即使是模型正确、网格质量优良，在计算过程中也可能出现不收敛的情况，本文针对这种情况提出了具体的解决措施；由于飞艇是悬浮在空气中的，如何确定其边界条件是其静力计算中的关键问题之一，目前针对该问题的解决方法有两种，其一是采用惯性释放技术，其二是在适当的点施加约束，本文对两种方法做了详细的分析对比，并指出了各自的应用范围。
　　最后，利用大曲率大体积柔性充气结构的有限元方法，对材料弹性模量、泊松比、结构囊体长度、结构长细比这四个影响囊体变形的抗力指标分别作了数值计算，通过分析得出一般规律；对囊体内外压差、重力荷载、吊挂荷载这三个影响囊体变形的荷载效应指标做了数值计算，通过分析得出一般规律。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 飞艇结构的发展历程

1.3 飞艇的结构形式及其特点分析

1.4 研究现状及本文的研究内容

参考文献

第二章 研究对象的外形和几何参数

2.1 计算模型

2.2 飞艇囊体的几何参数

2.3 计算模型的选择

第三章 柔性飞艇结构力学分析理论

3.1 引言

3.2 柔性飞艇的空气静力学理论

3.3 柔性飞艇囊体应力应变分析

3.4 充气囊体的变形分析理论

3.5 小结

参考文献

第四章 飞艇充气囊体结构分析的有限单元法

4.1 引言

4.2 有限单元法概述

4.3 飞艇充气囊体结构有限元的理论

4.4 飞艇充气囊体结构数值分析的关键问题

4.5 充气囊体结构有限元建模过程

4.6 本章小结

参考文献

第五章 充气囊体变形规律的探究

5.1 引言

5.2 结构可靠性分析

5.3 计算模型和边界条件

5.4 算例验证

5.5 结构抗力（R）对囊体变形的影响

5.6 荷载效应（S）对囊体最大变形的影响

5.7 结论

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 后续研究工作

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

声明