柔性充氣結(jié)構(gòu)止裂方法研究

肖鵬，李新

（中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門(mén)448035）

1 不同形式的止裂帶對(duì)氣囊應(yīng)力的影響分析

氣囊采用3500LV 材料，在氣囊上膠接不同形式的止裂帶，針對(duì)經(jīng)常采用的長(zhǎng)條形止裂帶，建立不同材料、裁剪方向、厚度、寬度、長(zhǎng)度的止裂帶模型（10 種不同止裂帶形式，1 種無(wú)止裂帶形式）進(jìn)行有限元仿真分析。止裂帶分析模型參數(shù)見(jiàn)表1。

應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表2分析可知，在相同載荷作用下，止裂帶結(jié)構(gòu)會(huì)增加附近囊體的應(yīng)力水平，最大可使應(yīng)力增加1.5 倍，即止裂帶結(jié)構(gòu)會(huì)使整個(gè)球體的強(qiáng)度降低。只有當(dāng)止裂帶材料的彈性模量遠(yuǎn)低于氣囊材料的彈性模量時(shí)，在不考慮加工引起褶皺的情況下，在相同載荷下，防撕裂結(jié)構(gòu)處的最大應(yīng)力與無(wú)止裂帶時(shí)的應(yīng)力相近。

表1 止裂帶分析模型參數(shù)

表2 強(qiáng)度分析結(jié)果

2 各種形式的端頭應(yīng)力擴(kuò)散方式的對(duì)比分析

通過(guò)第2 節(jié)的分析可知，止裂帶的兩端會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中，為了減小應(yīng)力集中，要在止裂帶的端頭設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)襯布，進(jìn)行應(yīng)力擴(kuò)散。

根據(jù)止裂帶端頭加強(qiáng)襯布形狀不同分為圓形加強(qiáng)襯布、半圓形加強(qiáng)襯布、水滴形加強(qiáng)襯布。分別針對(duì)典型尺寸的加強(qiáng)襯布進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)與有限元分析。

常見(jiàn)的條形防撕裂端頭加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

圖1 防撕裂端頭加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式

三種條形防撕裂端頭加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元分析，在止裂帶一端施加1%的強(qiáng)制位移，有限元仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2的對(duì)比可以看出，各種端頭加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力的擴(kuò)散均有一定的效果，圓形加強(qiáng)使應(yīng)力從70.3MPa 降低到59MPa，水滴形加強(qiáng)使應(yīng)力從70.3MPa 降低到57.9MPa，半圓形加強(qiáng)使應(yīng)力從70.3MPa 降低到56.5MPa，從應(yīng)力水平降低情況可以看出水滴形加強(qiáng)的應(yīng)力擴(kuò)散效果最好，不同加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元分析對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 不同修復(fù)結(jié)構(gòu)有限元分析對(duì)比

圖2 四中形式的應(yīng)力分布云圖

由于三種方案中加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力水平的降低處于同一水平，不存在較大的差別。

3 結(jié)論

通過(guò)以上分析，可以得到如下結(jié)論：

①為了防止柔性充氣結(jié)構(gòu)的大范圍開(kāi)裂布置止裂帶會(huì)帶來(lái)止裂帶端頭的應(yīng)力集中，止裂帶的材料的彈性模量越低導(dǎo)致的應(yīng)力集中程度越小，反之越大。

②止裂帶端部設(shè)計(jì)加強(qiáng)襯布進(jìn)行應(yīng)力擴(kuò)散是一種有效減小應(yīng)力集中的方式，圓形、半圓形、水滴形加強(qiáng)襯布的應(yīng)力擴(kuò)散效果相當(dāng)。