【摘要】：薄膜結(jié)構(gòu)由于質(zhì)量輕、體積小、易于折疊等優(yōu)異性能,被廣泛應(yīng)用于太陽帆、臨近空間飛艇、高空氣球、充氣機翼等航空航天領(lǐng)域。然而由于薄膜是柔性材料,它的抗彎剛度比較小,當(dāng)有外力刺入或柔性結(jié)構(gòu)在長期服役狀態(tài)下,會在薄膜結(jié)構(gòu)表面引入初始微小裂紋缺陷,進而在外力作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)的拉伸撕裂破壞,從而影響結(jié)構(gòu)的承力性能。裂紋的大小、方向和形式都對薄膜結(jié)構(gòu)的拉伸皺曲有一定的影響,因此研究不同切口形式下薄膜結(jié)構(gòu)的拉伸皺曲及撕裂行為具有重要的意義。首先,對不含切口薄膜的拉伸皺曲行為進行了研究。通過單軸拉伸試驗,給出了薄膜皺曲過程的幾個標(biāo)志性階段,并進行了力學(xué)性能測試與分析,得到了薄膜結(jié)構(gòu)在5mm/min單向加載情況下的位移-載荷及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,并借助VIC-3D非接觸數(shù)字圖像相關(guān)測量技術(shù)獲得了褶皺穩(wěn)定階段的后屈曲形貌及位移云圖,選取了褶皺穩(wěn)定階段薄膜結(jié)構(gòu)橫截面中心線上的點進行了褶皺形變的分析。同時,分析了不同方向折痕對薄膜拉伸性能的影響。在試驗的基礎(chǔ)上,進行了相同工況下的數(shù)值仿真模擬,并通過試驗與仿真的對比,驗證了數(shù)值模擬在分析該問題時的準(zhǔn)確性。其次,探討了中心含一字型切口薄膜的拉伸撕裂行為分析。結(jié)果表明薄膜的撕裂模式屬于張開型和撕開型裂紋的組合模式,在裂紋處薄膜發(fā)生面外翹曲的過程中伴隨著裂紋的擴展演化。同時探討了一字型切口長度、切口角度及混合一字型切口(V型、W型、Z型、X型、十字型)對薄膜拉伸皺曲及撕裂性能的影響。定義了切口比率、相對斷裂強度、相對伸長率、裂紋擴展比等概念,探討不同裂紋長度、不同切口角度的情況下對薄膜拉伸斷裂參數(shù)的影響。采用VIC-3D非接觸數(shù)字圖像相關(guān)測量技術(shù)對不同切口長度下薄膜的拉伸皺曲及斷裂過程進行了監(jiān)測與分析,得到了中心含一字型切口薄膜在單向拉伸狀態(tài)下的皺曲形貌及位移演化過程。然后,分析了不同切口形式對薄膜拉皺性能的影響。通過對中心含單個圓孔的實驗分析,獲取了中心含圓孔缺陷的薄膜拉伸皺曲模式,采用VIC-3D非接觸數(shù)字圖像相關(guān)測量技術(shù)給出了拉伸過程中的褶皺形貌及位移變化特征。構(gòu)建了薄膜拉皺有限元分析模型,仿真分析了不同切口形式、切口位置對薄膜拉皺行為的影響,仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好,驗證了分析模型的有效性。結(jié)果表明切口形式、切口位置對薄膜的拉皺行為影響很大,這對于知道控制褶皺和消除褶皺有一定參考意義。最后,研究了薄膜材料在雙軸拉伸受力下的力學(xué)響應(yīng)特征。以純薄膜、含一字型裂紋薄膜、含十字型裂紋薄膜以及含中心圓孔薄膜這幾類試件為研究對象,研究了雙向拉伸狀態(tài)下的薄膜皺曲行為特征。結(jié)果表明薄膜的雙軸拉伸性能受載荷工況影響。
【圖文】：

1.1 研究背景和意義從自然界到人類社會生活，薄膜結(jié)構(gòu)廣泛存于并得到大量應(yīng)用，如圖 1-1 所示。薄膜材料由于質(zhì)量輕、發(fā)射成本低且易于折疊，因此其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用展現(xiàn)出了其充分的優(yōu)勢，大量用于制造空間充氣天線、充氣球、充氣機翼和空間展開飛艇[1-6]。然而薄膜結(jié)構(gòu)由于彎曲剛度比較小，只能承受拉應(yīng)力，當(dāng)面內(nèi)受壓時，為了抵抗面外變形，從而形成了褶皺。薄膜出現(xiàn)褶皺之后對結(jié)構(gòu)有很多不利的影響，褶皺對薄膜的表面精度、靜態(tài)和動態(tài)性能都有重要的影響，會降低結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和功效。同時，不可忽略的是褶皺的出現(xiàn)在某些場合又展現(xiàn)了其優(yōu)勢，例如微納尺度下褶皺的產(chǎn)生對柔性電子器件的物理性能和化學(xué)性能產(chǎn)生很大影響。此外，在剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)使用過程中，剛性部件有可能會刺穿或劃破薄膜，導(dǎo)致局部出現(xiàn)切口，切口的產(chǎn)生會改變薄膜結(jié)構(gòu)中原有的應(yīng)力分布狀態(tài)，而且，切口處會產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中，在外部載荷繼續(xù)增加的情況下，切口會隨之?dāng)U展演化，并進一步改變結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式，兩者相互影響，使得這樣一類問題變得比較復(fù)雜。因此，開展含切口薄膜結(jié)構(gòu)的皺曲與撕裂行為分析具有重要的意義。

圖 1-2 薄膜褶皺及撕裂（a）充氣展開薄膜太陽帆；（b）飛艇的彎皺失效在航空領(lǐng)域，，平流層飛艇由于其遠(yuǎn)程通信、科學(xué)觀測等方面的優(yōu)勢，在 21 世紀(jì)受到了廣泛的關(guān)注。其中飛艇蒙皮材料廣泛應(yīng)用在主（副）氣囊、尾翼等結(jié)構(gòu)中，在飛艇長期服役情況下，通常隨著工作時間的延長，飛艇蒙皮會出現(xiàn)老化，進而累積成一定的損傷，蒙皮上會出現(xiàn)微小的初始裂紋或缺陷，如圖 1-3 所示。同時，在飛艇膜結(jié)構(gòu)組裝或工作過程中，由于尖利物刺破等因素，不可避免會引入裂紋或孔隙等缺陷。只要缺陷鄰近區(qū)域紗線的應(yīng)力足以使切口發(fā)生擴展，張拉應(yīng)力狀態(tài)下的蒙皮材料就存在失效的可能，進而導(dǎo)致飛艇結(jié)構(gòu)發(fā)生失效破壞[12-14]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2

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本文編號：2671028