浮空器膜材循环拉伸力学性能和弹性常数探究

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1、浮空器膜材循环拉伸力学性能和弹性常数探究摘要：对全新飞艇蒙皮膜材Uretek3216L进行了单轴循环拉伸试验，采用自主研发的多功能薄膜双轴拉伸试验机进行5种应力比例下的拉伸试验.探讨了单双轴循环试验的应力应变关系及弹性模量随循环次数的变化规律，对双轴耦合弹性模量的理论公式进行了推导，分析了纬经向应力比对耦合弹性模量的影响规律.结果表明，单轴循环的第15次和第1次循环相比，经纬向弹性模量分别增大了20.7%和39.1%，其中第2次循环增大幅度最大，经纬向均占总增量的60%以上.对于双轴试验，随纬经向应力比R的增大，经向耦合弹性模量增大而纬向减小.确定了膜材的单、双轴应力下的弹性模量和3D应力

2、应变响应曲面.关键词：浮空器膜材；双轴拉伸试验；3D应力应变响应面；弹性模量；循环拉伸试验中图分类号：V274文献标识码：A飞艇等浮空器自20世纪30年代，因飞机的发展及自身安全性问题而衰落，70年代后，飞艇再度活跃，航空大国一致看好飞艇的发展前景[1].蒙皮材料作为飞艇的主体结构材料，其性能的高低直接影响飞艇的应用效能，如浮空高度、持续飞行时间、有效载荷和服役寿命等[2-3].国内外对飞艇浮空器膜材循环拉伸力学性能和弹性常数探究摘要：对全新飞艇蒙皮膜材Uretek3216L进行了单轴循环拉伸试验，采用自主研发的多功能薄膜双轴拉伸试验机进行5种应力比例下的拉伸试验.探讨了单双轴循环试验的应

3、力应变关系及弹性模量随循环次数的变化规律，对双轴耦合弹性模量的理论公式进行了推导，分析了纬经向应力比对耦合弹性模量的影响规律.结果表明，单轴循环的第15次和第1次循环相比，经纬向弹性模量分别增大了20.7%和39.1%，其中第2次循环增大幅度最大，经纬向均占总增量的60%以上.对于双轴试验，随纬经向应力比R的增大，经向耦合弹性模量增大而纬向减小.确定了膜材的单、双轴应力下的弹性模量和3D应力应变响应曲面.关键词：浮空器膜材；双轴拉伸试验；3D应力应变响应面；弹性模量；循环拉伸试验中图分类号：V274文献标识码：A飞艇等浮空器自20世纪30年代，因飞机的发展及自身安全性问题而衰落，70年代后

4、，飞艇再度活跃，航空大国一致看好飞艇的发展前景[1].蒙皮材料作为飞艇的主体结构材料，其性能的高低直接影响飞艇的应用效能，如浮空高度、持续飞行时间、有效载荷和服役寿命等[2-3].国内外对飞艇蒙皮膜材力学性能研究［3-11］，主要针对单轴试验，对双轴试验研究很少，缺乏系统性的研究.Nakadate和Maekawa等［5-7］在飞艇膜材的抗撕裂性能、耐候性和开孔加强方式等方面进行了较详细研究.黄赛帅等［9］对飞艇膜材进行了双向拉伸测试，得到了单一比例下的近似膜材弹性常数.高海健等［10-11］对3种浮空器囊体膜材进行了单轴拉伸、往复加载和徐变试验，得到了膜材单向加载下的力学性能参数.在建筑膜

5、结构领域，国内外对建筑膜材力学性能进行了较广泛研究，并取得了许多科研成果［12-29］.在国外，Blum等［13］应用双轴拉伸试验，建立了线性增量应力应变模型的弹性常数测拭方法、计算方法.Minami等［14］通过不同比例双轴拉伸试验，由应变残差平方和最小二乘法求弹性常数.Bridgens等［15］指出膜材细观结构中存在经纬纱的卷曲及相互摩擦等作用，膜材不满足正交异性互补定律，不能用单轴拉伸试验预测膜材料的双轴向拉伸弹性常数.在中国，卫东等［18］测试了PVDF/PES膜强度、徐变和弹性模量.易红雷等［19-20］以膜材满足麦克斯韦定理为前提，以单轴拉伸试验为基础，研究了弹性本构关系、强度

6、准则和弹性模量估算方法.罗仁安等［23］基于双轴试验，提出了广义泊松比，研究了双轴受力下应力应变、残余应变、滞回曲线、双模量等.李阳等［24］研究了膜材抗拉强度、撕裂强度、徐变等，采用双轴拉伸试验和应变残差和最小法求膜材弹性常数.张营营等［28］对PTFE/GF和PVC/PES膜材的单双轴拉伸破坏、循环加载变形及力学性能进行了研究.湖南大学学报（自然科学版）2013年第6期陈建稳等：浮空器膜材循环拉伸力学性能及弹性常数研究Uretek3216L为聚醋纤维平纹织物基布，涂层为聚碳酸脂，表层为耐候涂层PVF，厚度0.40mm，面质量300g/m2,可用于中型尺度飞艇（约50.0m下），在国内外

7、飞艇结构设计中得到广泛应用.本文对Uretek3216L薄膜进行一系列单双轴循环拉力试验，得到了滞回环曲线、双轴应力应变响应面和单双轴弹性常数等材料力学性能，为复杂飞艇构型的设计、结构分析和裁剪提供参考.1循环试验概况L1试验仪器及加载制度单轴循环采用ZWICK/R011/Z100试验机，按正弦波循环加载15次，加载速度为10mm/min.试验环境：温度为（20土2）°C，湿度为65±2%.最大拉力为1/4单轴拉伸强度，