平流層飛艇蒙皮承力層撕裂性能的多尺度漸進損傷分析

《平流層飛艇蒙皮承力層撕裂性能的多尺度漸進損傷分析》是依託上海交通大學，由趙海濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：平流層飛艇蒙皮承力層撕裂性能的多尺度漸進損傷分析
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：趙海濤
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

平流層飛艇蒙皮承力層是柔性複合材料，多採用增強纖維平紋編織和超彈性基體塗層製成，撕裂是其重要的性能指標。現有的承力層多尺度分析，只建立了一個層次的細觀單胞模型，而沒有更加深入地研究纖維和基體間的界面相，使實驗和數值模擬的偏差較大。本項目針對承力層在細觀分析上的不足，實驗與數值模擬的差別大，採用微觀、細觀與巨觀相統一、理論與試驗相結合的方法，建立微觀、細觀、巨觀相耦合的多尺度模型，充分考慮界面相的影響，準確表征界面相的物理常數，深入研究應力、應變、位移、損傷等信息在三種尺度模型中的傳遞機制，發展多尺度分析方法，建立微觀下纖維斷裂、基體破裂、界面脫粘的力學模型，對多尺度模型進行統一的漸進損傷分析，揭示承力層撕裂的失效機理，建立承力層撕裂的多尺度、多層次分析方法。研究成果為平流層飛艇蒙皮承力層的設計、製造提供依據，為柔性複合材料的撕裂性能表征和評價提供可靠、有效的方法，促進我國平流層飛艇的研製。

結題摘要

塗層纖維織物柔性複合材料由聚合物纖維織物及聚合物塗層構成，不僅擁有良好的力學性能，還具有耐腐蝕、耐衝擊等優異的特點，可作為浮空器的蒙皮材料。相較剛性複合材料，柔性蒙皮材料在使用過程中不可避免地受到拉伸及撕裂載荷，為了充分發揮蒙皮材料的套用潛能，從細觀尺度出發研究柔性蒙皮材料的拉伸及撕裂性能具有重要意義。 為獲取細觀模型的力學參數和結構參數，參照相關試驗標準分別進行了紗線拉伸實驗、蒙皮材料拉伸實驗、蒙皮材料撕裂實驗。基於實驗數據及蒙皮材料細觀圖像建立塗層平紋織物柔性複合材料有限元單胞模型。 為驗證模型的有效性，分別採用該模型、離散單胞模型、連續介質模型進行拉伸破壞的數值模擬。比較結果認為，有限元單胞模型能夠反映出實際材料的細觀結構，並且能夠較為準確地預測出材料的斷裂強度及斷裂伸長率，為研究材料的撕裂性能提供理論依據。 基於有限元單胞模型，在有限元軟體中建立塗層平紋織物柔性複合材料撕裂模型，通過適當前處理進行撕裂破壞的數值模擬，得到的撕裂曲線與撕裂實驗曲線能夠較好吻合，紗線斷裂所造成的曲線震盪較為明顯，從細觀角度揭示柔性蒙皮材料的撕裂機理，為蒙皮材料的止裂設計提供依據。