浮空器抓手結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計*

袁軍行 王平安，2 朱善璋

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088）（2.國家級工業(yè)設(shè)計中心 合肥 230088）

1 引言

浮空器是一種輕于空氣的航空器，主要分為系留氣球、飛艇和高空氣球三類［1～2］。系留氣球和飛艇目前已具備軍事應(yīng)用價值，兩者的區(qū)別在于前者通過系留纜繩固定在地面上，后者則自帶動力可在空中巡航［3］。高空氣球在平流層具有較高應(yīng)用價值［4～5］，分為零壓球和超壓球兩類，目前也是各國重點發(fā)展的浮空器產(chǎn)品。信息化時代，浮空器在信息戰(zhàn)中具有巨大的應(yīng)用價值，相對常規(guī)航空器和衛(wèi)星，其具有以下優(yōu)勢：1）滯空時間長；2）載重量大；3）生存能力強(qiáng)；4）預(yù)警功能強(qiáng)；5）偵察視野廣［6～8］。

因此，無論是在國際、國內(nèi)，浮空器在未來的數(shù)十年里將迎來全新的發(fā)展。雖然浮空器設(shè)計、制造和應(yīng)用技術(shù)得到了快速發(fā)展，浮空器的發(fā)展越來越受到各方面的重視，應(yīng)用市場也日益廣泛，但浮空器相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)少之又少、極度匱乏［9～10］，尤其浮空器典型結(jié)構(gòu)件的設(shè)計在文獻(xiàn)中鮮少看到。

抓手是浮空器囊體的主要承力部件，為柔性結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各類浮空器產(chǎn)品，主要用于浮空器在錨泊和駐空期間承受來自地面錨泊設(shè)備的系留載荷，將地面系留載荷或安裝設(shè)備載荷擴(kuò)散至囊體［11］，其設(shè)計的優(yōu)劣直接影響浮空器產(chǎn)品的安全性。由于抓手結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，目前抓手等典型承力件設(shè)計主要依賴于經(jīng)驗和實物測試，對其載荷擴(kuò)散機(jī)理理解還不透徹，缺乏理論指導(dǎo)。

針對上述問題，本文旨在通過設(shè)計、分析和驗證不同結(jié)構(gòu)形式的抓手，探尋影響抓手載荷能力大小的因素，為浮空器囊體抓手結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考和借鑒。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)功能簡述

一般地，浮空器囊體上分布有若干抓手與拉索相連［12］。單個抓手結(jié)構(gòu)包括張線、金屬接頭和基布。抓手與囊體連接處有開口縫，通過熱合工藝在縫隙處將抓手布與囊體布膠合一體。抓手在浮空器囊體上的布置如圖1所示。

圖1 抓手布置示意圖

目前，抓手的常規(guī)外形為扇形，強(qiáng)力帶呈V 形的發(fā)射狀，載荷通過金屬接頭、強(qiáng)力帶和基布逐步擴(kuò)散至囊體，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 原始抓手外形

在金屬接頭形式和材料相同的情況，基布的結(jié)構(gòu)設(shè)計是影響抓手承載能力大小的的主要因素，包括基布形狀、扇形弧度以及基布大小?；嫉男螤钪饕缸ナ稚线吘壍耐庑危ㄉ刃?、橢球形、波浪形等，設(shè)計的要素包括基布的形狀以及強(qiáng)力帶的長度的變化；在抓手重量相同的情況下，兩層基布的相對大小不一樣同樣會影響抓手的承載能力。

2.2 形狀優(yōu)化

作用在金屬接頭的載荷通過依次通過強(qiáng)力帶和基布傳遞至囊體上，相應(yīng)地，集中載荷依次變?yōu)閺?qiáng)力帶上的分散載荷和基布上的連續(xù)載荷，載荷的集中程度逐漸降低。載荷擴(kuò)散過程如圖3所示。

圖3 載荷擴(kuò)散路徑

載荷傳遞的效率與強(qiáng)力帶伸展的長度、夾角以及基布的形狀有關(guān)。強(qiáng)力帶分布的結(jié)構(gòu)形式與金屬接頭的結(jié)構(gòu)有關(guān)。為考察基布形狀與強(qiáng)度的關(guān)系，保持強(qiáng)力帶分布結(jié)構(gòu)基本不變，僅改變基布的形狀。基布的基礎(chǔ)形狀設(shè)為扇形，抓手受力后會在扇形基布頂端形成應(yīng)力集中區(qū)。以往的測試經(jīng)驗表明，抓手試驗件的破裂部位往往出現(xiàn)在該應(yīng)力集中區(qū)域，因此，抓手基布形狀改進(jìn)的方向為改變頂部的弧度或外形，提高基布載荷分散轉(zhuǎn)移的效率。

決定基布上緣形狀的因素有邊緣的整體弧度變化和邊緣線的起伏變化。兩種因素相互組合和形成不同的基布形狀，主要變化有三角形、扇形、橢圓形、三角波浪形和扇形波浪形等五種形狀，如圖4所示。

圖4 抓手外形變化

其中1-1、1-2 和1-3 形式的抓手為在原始抓手外形基礎(chǔ)上改變上緣弧度，主要考察基布上緣弧度變化對抓手承載能力的影響。1-4 形式抓手為改變原始抓手上緣的起伏變化，1-5 形式抓手則可看作是1-3和1-4的綜合體。

2.3 鋪層優(yōu)化

抓手的基布一般由兩層織物材料基布構(gòu)成，強(qiáng)力帶以縫紉方式固定在尺寸較小的基布上，而后該基布以粘接的方式固定到另外一層尺寸較大的基布上。為考察基布尺寸對載荷擴(kuò)散的影響，調(diào)整抓手兩層基布的大小，擴(kuò)大與囊體連接基布（下層）的面積，同時縮小強(qiáng)力帶的長度，保持抓手總重量基本不變，分析基布比例分配對承載能力的影響。

如圖5，2-1 形式抓手縮小長度算短為原始長度的70%，基布面積增大約30%，而抓手2-2 基布增大25%，強(qiáng)力帶則縮短為原始長度的80%。

圖5 抓手基布比例變化

三種抓手結(jié)構(gòu)尺寸統(tǒng)計如表1所示。

表1 抓手結(jié)構(gòu)尺寸統(tǒng)計

3 仿真分析

3.1 建模

對抓手進(jìn)行仿真分析的前提是建立相對準(zhǔn)確的分析模型。抓手的結(jié)構(gòu)和成型工藝較為復(fù)雜，同時采用了多種不同物理屬性的材料，如何合理簡化抓手結(jié)構(gòu)和選擇合理的材料參數(shù)是建立模型的關(guān)鍵。

在ABAQUS軟件中建立抓手的仿真模型，包含抓手布、加強(qiáng)條、金屬接頭、囊體基布以及密封條，如圖6所示。其中抓手和囊體布均采用薄殼單元［13］，加強(qiáng)條采用大剛度梁，金屬接頭用MPC 連接簡化。抓手布以及囊體布材料為一種聚氨酯涂層織物，仿真中將其等效為各向同性材料。囊體布材料的彈性模量取15GPa，泊松比0.4，撕裂破壞強(qiáng)度約為430MPa。將囊體基布的四周邊界鉸支約束，并在基布面內(nèi)施加一定的預(yù)應(yīng)力。

圖6 抓手結(jié)構(gòu)有限元模型

對抓手施加相同的面內(nèi)載荷，方向為Y 向，大小為15kN。

3.2 仿真結(jié)果及分析

理論上增大抓手基布面積會提高抓手的承載能力，但由于浮空器對結(jié)構(gòu)重量異常敏感，系統(tǒng)重量冗余會導(dǎo)致平臺搭載設(shè)備的能力。因此，抓手優(yōu)化不能依靠無限制增加抓手基布面積。為評估抓手優(yōu)化的效果，對比維度必須統(tǒng)一，在這里引入了“改善效率”的概念。改善效率是指基布單位面積增加量帶來的應(yīng)力下降率。通過類歸一化處理就可以有效評估抓手的優(yōu)化效果。

1）基布形狀優(yōu)化

五種形狀優(yōu)化抓手應(yīng)力云圖分布如圖7所示。

圖7 形狀優(yōu)化抓手應(yīng)力分布

可以看出，應(yīng)力集中區(qū)域均出現(xiàn)在抓手基布的上邊緣，且已中點為中心呈扇形分布；總的趨勢為基布面積增大，囊體上的應(yīng)力水平會相應(yīng)降低，即基布增大有利于載荷的擴(kuò)散，如抓手1-1 和抓手1-2 基布頂端；從初始抓手、1-2 抓手和1-3 抓手可以看出，基布上邊緣弧度隆起，囊體上的應(yīng)力水平先降低后升高，即基布邊緣曲率半徑存在最優(yōu)解，并非越小越好；相對于連續(xù)的弧形邊緣，波浪起伏的基布邊緣更有助于降低囊體應(yīng)力水平，如抓手1-4。

抓手的改善效率如表2所示。

表2 形狀優(yōu)化分析結(jié)果

仿真分析結(jié)果表明：適當(dāng)減小抓手上緣曲率半徑和采用波浪形邊緣更有利于載荷的擴(kuò)散，提高抓手的承載能力。

2）基布鋪層優(yōu)化

兩種鋪層優(yōu)化抓手應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 鋪層優(yōu)化抓手應(yīng)力分布

通過上述的分析可以看出，抓手加載產(chǎn)生的應(yīng)力云圖形態(tài)與基布邊緣形狀有關(guān)，由于抓手2-1 和抓手2-2 基布上緣的曲率相同，應(yīng)力云圖形狀基本一致。由于抓手2-1 的強(qiáng)力帶相對抓手2-2 較短導(dǎo)致應(yīng)力帶頂端的應(yīng)力水平較高，進(jìn)一步說明了強(qiáng)力帶長度是影響載荷擴(kuò)散的重要因素。盡管抓手2-1 的基布大于抓手2-2，但前者上緣的應(yīng)力水平卻高于后者，說明基布的大小并不是影響載荷擴(kuò)散的唯一因素。初始抓手以及抓手2-1 和抓手2-2的應(yīng)力統(tǒng)計見表3。

仿真分析結(jié)果表明：抓手2-2 應(yīng)力水平降低幅度較大，即增大強(qiáng)力帶擴(kuò)散范圍相對增大基尺寸更有利于提高抓手承載能力。

4 試驗驗證

選取初始、1-3、1-4、2-1、2-2 五種抓手進(jìn)行實際拉伸破斷強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果如圖9和表4所示。

結(jié)果顯示，抓手的破斷部位均為抓手基布上緣，與仿真分析的應(yīng)力集中區(qū)域一致。

抓手實際破斷強(qiáng)度變化趨勢與仿真分析基本一致，說明仿真分析結(jié)果有效可信。

圖9 抓手破斷試驗

表4 抓手破斷強(qiáng)度試驗結(jié)果

5 結(jié)語

抓手是浮空器最為常用的柔性結(jié)構(gòu)件之一，其承載能力直接影響浮空器產(chǎn)品的工作性能和結(jié)構(gòu)安全性。由于抓手的結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，涉及的材料眾多，建模困難，設(shè)計通常依賴于經(jīng)驗和試驗測試，本文分析了基布形狀和鋪層對抓手承載能力的影響，通過仿真分析與試驗測試可得到如下結(jié)論：

1）抓手承力基布采用波浪形可有效提高抓手承載能力；

2）增大強(qiáng)力帶擴(kuò)散范圍（即長度）更有利于提高抓手承載水平。