程書通，張云浩，杜嘉豪，張大旭，陳務(wù)軍，魯國富，張金奎

(1. 上海交通大學(xué) a.船舶海洋與建筑工程學(xué)院；b.空間結(jié)構(gòu)研究中心，上海 200240；2. 中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448000)

飛艇起源于1784年的法國，因駐空位置不受限制且可以長期滯空而擁有其他飛行器無可比擬的優(yōu)勢，因此成為世界上主要軍事大國的研究熱點(diǎn)[1-2]。就結(jié)構(gòu)體系而言，飛艇分為硬式飛艇和軟式飛艇兩類，其中軟式飛艇為目前主要采用的結(jié)構(gòu)形式。軟式飛艇的懸掛體系較為復(fù)雜，并且變形較大[3]。浮空器氣囊作為軟式飛艇的重要組成部分，在保持飛艇氣動外形、結(jié)構(gòu)剛度和載荷力流傳遞方面具有重要作用。氣囊由蒙皮織物材料焊接制成，因此蒙皮材料的力學(xué)性能對飛艇工程設(shè)計與結(jié)構(gòu)計算分析至關(guān)重要[4]。

國內(nèi)外學(xué)者對飛艇囊體材料的單、雙軸力學(xué)行為已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究。在國內(nèi)，秦朝中等[5]通過試驗(yàn)對囊體材料的撕裂特性和加強(qiáng)筋的止裂效果進(jìn)行了研究，并利用數(shù)值模擬研究了囊體材料局部破裂后破口處氣體外泄的非定常流場結(jié)構(gòu)及其演變過程。李偉等[6]基于復(fù)合材料彈性矩陣對偏軸拉伸試驗(yàn)測量囊體材料剪切模量的方法進(jìn)行了理論分析。顏標(biāo)[7]利用應(yīng)變片對囊體材料進(jìn)行測試，研究了應(yīng)變片在非線性應(yīng)變中的表現(xiàn)特性，驗(yàn)證了其在浮空器囊體材料中測試應(yīng)用的可行性。陳建穩(wěn)等[8]對膜材Uretek3216L進(jìn)行了單、雙軸試驗(yàn)，探討了材料的非線性以及正交異性在應(yīng)力、應(yīng)變和彈性模量中的體現(xiàn)，分析了膜材Uretek3216-LV的中心切縫撕裂破壞強(qiáng)度，并應(yīng)用Griffith能量理論推導(dǎo)了蒙皮材料的抗撕裂強(qiáng)度公式。高海健等[9]對3種飛艇囊體材料進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)與分析研究，得到了強(qiáng)度、變形、徐變等力學(xué)性能參數(shù)值。何世贊等[10]對Uretek5876材料在7個偏軸方向上單軸拉伸循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，得出了殘余應(yīng)變和彈性模量隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，使用VIC-2D數(shù)字散斑測量系統(tǒng)測量了膜材拉伸的位移場和應(yīng)變場，并對膜材的破壞機(jī)制進(jìn)行分析。在國外，Kang等[11]對一種芳香聚酰胺平紋織物膜材進(jìn)行了高、低溫單軸拉伸試驗(yàn)，借助有限元單胞模型對膜材的單向拉伸性能進(jìn)行了模擬分析。Komatsu等[12]進(jìn)行了幾種飛艇囊體材料單軸拉伸試驗(yàn)，研究了不同溫度下膜材的搭接強(qiáng)度及徐變特征。

綜上所述可知，已有文獻(xiàn)多是對全新囊體材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究。然而，飛艇氣囊結(jié)構(gòu)在加工、運(yùn)輸、存放和服役過程中不可避免會發(fā)生老化和折皺損傷，因此，非常有必要對老化和折皺損傷后的囊體材料力學(xué)性能進(jìn)行研究，從而為飛艇結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析提供依據(jù)。本文以飛艇囊體材料Uretek3216-LV為研究對象，其主要由Vectran基布和聚氟乙烯(polyvinyl fluoride, PVF)面層及各功能膜層復(fù)合而成，是一種高性能層壓復(fù)合織物材料，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐候性強(qiáng)、阻氦氣滲透性好等特點(diǎn)。采用戶外暴露和揉搓試驗(yàn)方法分別模擬飛艇氣囊材料的老化和折皺損傷，并對材料經(jīng)、緯向進(jìn)行單軸拉伸強(qiáng)度和拉伸循環(huán)試驗(yàn)。通過對Uretek3216-LV材料開展老化與折皺試驗(yàn)研究，揭示了短期老化(1、 3、 8、 12個月戶外暴露)、折皺損傷(20、 270、 900、 2 700次全揉搓)，以及二者共同作用對材料經(jīng)、緯向單軸拉伸強(qiáng)度和彈性模量的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 老化試驗(yàn)

通常飛艇服役時間為5～10年，受試驗(yàn)條件限制，本文對囊體材料的短期老化進(jìn)行研究。根據(jù)GB/T 17603—1998，將Uretek3216-LV囊體材料置于室外屋頂天臺，使其在暴露環(huán)境下自然老化。試樣經(jīng)向長為550 mm，緯向長為1 420 mm，共5批材料，其中，1批作為對照組不進(jìn)行老化試驗(yàn)，剩余4批分別老化1、 3、 8和12個月。本次老化試驗(yàn)暴露地點(diǎn)為湖北荊門，采用的暴露架為自制，有5°傾斜角，便于太陽直射試樣。老化試驗(yàn)自2016年10月25日開始，于2017年10月25日全部完成。荊門市位于東經(jīng)111°51′～113°29′，北緯30°32′～31°36′處，為亞熱帶溫暖季風(fēng)型氣候，年平均氣溫為16.1 ℃，年日照時長約為2 000 h。

1.2 耐揉搓性試驗(yàn)

耐揉搓性試驗(yàn)參照ASTM F392/F392M-11。采用FDT-02型揉搓試驗(yàn)機(jī)，揉搓頻率為45次/min，經(jīng)、緯向試樣尺寸相同，均為長280 mm、寬200 mm。4個試樣同時進(jìn)行揉搓試驗(yàn)的照片如圖4所示，分別將試件沿高度方向固定于上下揉搓圓臺上，兩圓臺相距180 mm。揉搓過程分為2步：(1)上揉搓圓臺向下平動90 mm，同時轉(zhuǎn)動(440±4)°；(2)上揉搓圓臺向下平動65 mm。試驗(yàn)過程中下揉搓圓臺固定不動。

根據(jù)ASTM F392/F392M-11，設(shè)定揉搓試驗(yàn)條件分別為揉搓20、270、900和2 700次，不同的揉搓次數(shù)用來模擬氣囊材料的折皺損傷程度，揉搓次數(shù)越多則折皺損傷越嚴(yán)重。

1.3 拉伸試驗(yàn)方法

根據(jù)ASTM D4851-07(2015)，對Uretek3216-LV囊體材料進(jìn)行單軸拉伸強(qiáng)度和拉伸循環(huán)試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)的經(jīng)、緯向試樣尺寸相同，均為長200 mm、寬25 mm。試驗(yàn)采用UTM-4000型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載速度為50 mm/min，預(yù)加載荷為5 N；單軸拉伸循環(huán)試驗(yàn)，按正弦波循環(huán)加載15次，加載速度為10 mm/min，預(yù)加載荷為5 N，循環(huán)上限為1/4單軸拉伸強(qiáng)度，循環(huán)下限為1/40單軸拉伸強(qiáng)度。單軸拉伸試驗(yàn)照片如圖2所示。

Uretek3216-LV囊體材料單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可以看出，材料具有顯著正交異性和非線性特征。本次試驗(yàn)取單軸拉伸循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線第15次循環(huán)的曲線斜率作為囊體材料的單軸拉伸彈性模量[13]。為避免試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偶然誤差，同一工況進(jìn)行了4個試樣的重復(fù)試驗(yàn)，取平均值作為該工況的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

2 單軸拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 短期老化時間影響

為了揭示短期老化對囊體材料單軸拉伸強(qiáng)度的影響，對不同老化時間的材料進(jìn)行單軸拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示，圖中散點(diǎn)為既定老化時間下的應(yīng)力均值。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到材料經(jīng)、緯向單軸拉伸強(qiáng)度(σ)與老化時間(t)的退化關(guān)系曲線，其退化方程為

σj=81.56-0.746 3t

(1)

σw=73.83-1.565 6t

(2)

式中：下標(biāo)j、 w分別為材料的經(jīng)向和緯向。

由圖4可以看出：總體上經(jīng)向試樣的單軸拉伸強(qiáng)度大于緯向試樣的單軸拉伸強(qiáng)度；隨著老化時間的增加，單軸拉伸強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)老化12個月時，經(jīng)向和緯向拉伸強(qiáng)度分別下降約11.50%、 27.18%，緯向試樣的單軸拉伸強(qiáng)度退化擬合曲線傾斜程度略大于經(jīng)向試樣。由此表明，緯向試樣單軸拉伸強(qiáng)度對老化時間的退化作用更加敏感。

2.2 揉搓次數(shù)影響

為揭示折皺損傷程度對囊體材料單軸拉伸強(qiáng)度的影響，首先在4種揉搓條件進(jìn)行經(jīng)、緯向揉搓試驗(yàn)，然后進(jìn)行單軸拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)。不同揉搓條件下囊體材料經(jīng)、緯向單軸拉伸強(qiáng)度均值散點(diǎn)圖如圖5所示。

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到經(jīng)、緯向拉伸強(qiáng)度與揉搓次數(shù)(n)的退化關(guān)系曲線，其退化方程為

σj=81.56-0.012n(0≤n≤2 700)

(3)

σw=73.83-0.0109n(0≤n≤2 700)

(4)

由圖5可以看出：相同揉搓次數(shù)下，經(jīng)向試樣的單軸拉伸強(qiáng)度大于緯向試樣；兩條擬合曲線近乎平行，說明揉搓次數(shù)對經(jīng)、緯向試件強(qiáng)度的退化影響差別不是很大；隨著揉搓次數(shù)的增加，囊體材料的單軸拉伸強(qiáng)度退化逐漸增大；當(dāng)揉搓次數(shù)達(dá)到2 700次時，囊體材料的單軸拉伸強(qiáng)度下降約40%。由此可見，折皺損傷對材料的單軸拉伸強(qiáng)度的影響十分顯著。

2.3 老化時間與揉搓次數(shù)共同影響

老化和揉搓是兩種不同類型的損傷因素，本文假設(shè)老化時間和揉搓次數(shù)對囊體材料單軸拉伸強(qiáng)度的影響相互獨(dú)立。當(dāng)二者共同作用時，其對材料強(qiáng)度的退化影響符合疊加原理。根據(jù)式(1)～(4)，得出兩者共同影響下囊體材料經(jīng)、緯向的單軸拉伸強(qiáng)度退化方程為

σj=81.56-0.7436t-0.012n

(5)

σw=73.83-1.565 6t-0.010 9n

(6)

通過對老化材料開展耐揉搓性試驗(yàn)，得到4種老化時間和4類揉搓次數(shù)共同作用下的試樣，然后對其進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，得到不同工況下的單軸拉伸強(qiáng)度，如圖6所示。由圖6可以看出：當(dāng)揉搓次數(shù)低于900次時，式(5)和(6)的理論值與試驗(yàn)值比較吻合；當(dāng)揉搓次數(shù)為2 700次時，相比試驗(yàn)值，式(5)和(6)的理論值偏小，而式(3)和(4)的理論值更接近試驗(yàn)值。這說明當(dāng)揉搓次數(shù)較大時，折皺損傷成為降低材料單軸拉伸強(qiáng)度的控制性因素，老化時間對強(qiáng)度的削弱作用可以忽略不計，式(5)和(6)不再適用。這一現(xiàn)象的微觀機(jī)理將在第4節(jié)做進(jìn)一步分析。

3 單軸拉伸循環(huán)試驗(yàn)

3.1 短期老化時間影響

為揭示短期老化對囊體材料單軸拉伸彈性模量的影響，對不同老化時間下的囊體材料進(jìn)行單軸拉伸循環(huán)試驗(yàn)。不同老化時間下材料單軸拉伸彈性模量均值散點(diǎn)圖如圖7所示。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到材料經(jīng)、緯向單軸拉伸彈性模量與老化時間的退化關(guān)系曲線，其退化方程為

Ej=1 145.25+6.126 3t

(7)

Ew=1 058.75+6.946 8t

(8)

由圖7可以看出：經(jīng)向試樣的單軸拉伸彈性模量大于緯向試樣的單軸拉伸彈性模量；隨著老化時間的增加，單軸拉伸彈性模量逐漸增大；當(dāng)老化12個月時，經(jīng)、緯向彈性模量分別增加約9.89%和10.61%，表明老化時間對經(jīng)、緯向單軸拉伸彈性模量的增強(qiáng)作用基本相同。

3.2 揉搓次數(shù)影響

為揭示折皺損傷程度對囊體材料單軸拉伸彈性模量的影響，對不同揉搓次數(shù)下的囊體材料進(jìn)行了單軸拉伸循環(huán)試驗(yàn)。不同揉搓條件下囊體材料經(jīng)、緯向單軸拉伸彈性模量均值散點(diǎn)圖如圖8所示。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到經(jīng)、緯向單軸拉伸彈性模量與揉搓次數(shù)的退化關(guān)系曲線，其退化方程為

Ej=1 145.25-0.048 7n(0≤n≤2 700)

(9)

Ew=1 058.75-0.048 6n(0≤n≤2 700)

(10)

由圖8可以看出：相同揉搓次數(shù)下，經(jīng)向試樣的單軸拉伸彈性模量大于緯向試樣的單軸拉伸彈性模量；兩條擬合曲線近乎平行，說明揉搓次數(shù)對經(jīng)、緯向試件單軸彈性模量的損傷影響相差不大；隨著揉搓次數(shù)的增加，材料的單軸拉伸彈性模量退化程度越大；當(dāng)揉搓次數(shù)達(dá)到2 700次時，材料的單軸拉伸彈性模量下降約13%。由此可見，折皺損傷對材料單軸拉伸彈性模量的影響較為顯著，但是影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其對單軸拉伸強(qiáng)度的影響。

3.3 老化時間與揉搓次數(shù)的共同影響

與單軸拉伸強(qiáng)度部分相似，同樣假設(shè)老化時間與揉搓次數(shù)對材料拉伸模量的影響符合疊加原理。根據(jù)式(7)～(10)，得出兩者共同影響下囊體材料單軸拉伸彈性模量退化方程為

Ej=1 145.25+6.126 3t-0.048 7n

(11)

Ew=1 058.75+6.946 8t-0.048 6n

(12)

對不同老化時間和揉搓次數(shù)下的囊體材料進(jìn)行單軸拉伸循環(huán)試驗(yàn)，得到了不同工況下的單軸拉伸彈性模量。將試驗(yàn)結(jié)果與式(11)和(12)的理論預(yù)測曲線進(jìn)行對比，如圖9所示。由圖9可以看出：當(dāng)揉搓次數(shù)低于900次時，式(11)和(12)的理論值與試驗(yàn)值比較吻合；當(dāng)揉搓次數(shù)為2 700次時，式(11)和(12)的理論值相比試驗(yàn)值偏小，而式(9)和(10)的理論值更接近試驗(yàn)值。說明當(dāng)揉搓次數(shù)較大時，折皺損傷成為影響材料單軸拉伸彈性模量的控制性因素，老化時間對彈性模量的增強(qiáng)作用可以忽略不計，式(11)和(12)不再適用。這一現(xiàn)象的微觀機(jī)理將在第4節(jié)做進(jìn)一步分析。

Fig.9 Elastic modulus of capsule materials under various aging and flexing conditions

4 機(jī)理分析

4.1 老化影響

2.1節(jié)和3.1節(jié)試驗(yàn)結(jié)果表明，戶外暴露老化降低了囊體材料的拉伸強(qiáng)度，但使得材料的彈性模量略有增大。這是因?yàn)閼敉獗┞董h(huán)境使材料受到紫外光線、氧、溫度、水和濕氣的綜合作用，發(fā)生了高分子聚合物的降解和交聯(lián)[14]，影響囊體材料基層織物和功能涂層的性能。對于基層織物，降解將導(dǎo)致織物纖維強(qiáng)度的降低，宏觀表征為材料拉伸強(qiáng)度退化；對于功能涂層，交聯(lián)將提高功能涂層的剛度，表征為材料彈性模量的增大。

4.2 折皺損傷影響

囊體材料在完好以及4類揉搓條件下的電子掃描顯微鏡圖如圖10所示。由圖10可以看出：完好材料的各功能涂層完好無損，基層織物致密緊湊；全揉搓20次后，功能涂層開始出現(xiàn)破裂，基層織物出現(xiàn)分離；全揉搓270次后，功能涂層局部脫離，基層織物出現(xiàn)更大程度的松散分離；全揉搓900次后，功能涂層嚴(yán)重脫離，基層織物出現(xiàn)扭曲變形，呈松散狀態(tài)；全揉搓2 700次后，功能涂層完全脫離，基層織物呈嚴(yán)重松散狀態(tài)，對其單根纖維進(jìn)行局部放大，可以看出纖維發(fā)生嚴(yán)重松散和扭曲。這是因?yàn)椋汗δ芡繉訉儆诒Ｗo(hù)層，為囊體材料提供耐候性、阻氦氣及密封功能；基層織物屬于承力層，承受飛艇內(nèi)壓并確保氣囊材料的強(qiáng)度。當(dāng)揉搓次數(shù)較小時，功能涂層和基層織布損傷較輕，二者仍然共同工作，因此適用于疊加原理，即老化時間和揉搓次數(shù)對材料拉伸性能共同產(chǎn)生影響；隨著揉搓次數(shù)的增加，功能涂層逐漸發(fā)生脫離，當(dāng)揉搓次數(shù)較大時，材料的力學(xué)性能主要由基層織物承擔(dān)，因此疊加原理不再適用，以揉搓次數(shù)對囊體材料拉伸性能的影響為主。

5 結(jié) 語

本文首先通過對飛艇囊體材料Uretek3216-LV開展戶外暴露老化與折皺損傷耐揉搓性試驗(yàn)，然后進(jìn)行經(jīng)、緯向單軸拉伸強(qiáng)度與拉伸循環(huán)試驗(yàn)，得到了短期老化、折皺損傷以及二者共同作用下囊體材料單軸拉伸力學(xué)性能的變化規(guī)律，得到結(jié)論如下：

(1) 短期老化使材料的單軸拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生較嚴(yán)重退化，退化程度與老化時間基本呈線性關(guān)系。當(dāng)老化12個月時，經(jīng)、緯向拉伸強(qiáng)度分別下降約11.50%和27.18%。

(2) 短期老化使材料的單軸拉伸彈性模量有所增加，增加幅度與老化時間基本呈線性關(guān)系。當(dāng)老化12個月時，經(jīng)、緯向彈性模量分別增加約9.89%和10.61%。

(3) 折皺損傷可顯著降低材料的單軸拉伸強(qiáng)度和彈性模量，且對強(qiáng)度的退化影響程度大。當(dāng)揉搓次數(shù)達(dá)到2 700次時，材料單軸拉伸強(qiáng)度退化約40%，彈性模量退化約13%。

(4) 當(dāng)折皺損傷程度較輕微時，老化和折皺損傷共同作用對材料拉伸性能的退化影響為二者單獨(dú)作用時的疊加；當(dāng)折皺損傷程度較嚴(yán)重時，折皺損傷對拉伸性能影響起控制作用，老化影響可忽略不計。