拉伸循环载荷下飞艇蒙皮材料的能量耗散与变形特性研究

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飞艇蒙皮材料在生产制备过程中要承受长时间的高温高压,同时,在日常使用和运输过程中,其材料本身又要承受阵风、雨雪、外界温度变化引发的热胀冷缩、多次回收-释放等过程引发的张力变化,飞艇蒙皮材料通常处于反复加载-卸载的状态,在上述过程中飞艇蒙皮材料会发生损伤和变形。材料损伤的萌生、扩展以及变形本质上是能量的非均匀耗散的过程,在缺乏深入了解飞艇蒙皮材料的损伤与失效机制时,采用能量与形变相结合的分析方法,更能从本质上了解飞艇蒙皮材料各种损伤的萌生、扩展以及变形机制。飞艇蒙皮材料耐久性和稳定性对飞艇的结构稳定和飞行控制至关重要,因此,认识热压制备过程、不同大小的外加循环载荷以及高低温交变环境对飞艇蒙皮材料能量耗散与变形特性的影响机制,对于飞艇蒙皮材料的开发和工程应用研究意义重大。为探究热压复合工艺参数对飞艇蒙皮材料的能量耗散与残余应变特性的影响机制,本文以聚氟乙烯(PVF)膜为耐气候层,TPU膜为阻氦层,聚芳酯Vectran纤维机织平纹布为承力层,TPU胶膜为粘结层,通过热压复合的方式制备多种热压工艺参数下的飞艇蒙皮材料,并对其进行循环加载-卸载后的力学性能测试,分析了热压温度和热压时间对耗散能和残余应变的影响规律,并提出了理论公式。结果表明:热压温度和热压时间对飞艇蒙皮材料的能量耗散与残余变形特性的影响的变化规律相同,且拟合方程的拟合程度良好,系数与热压温度和热压时间呈正相关;材料的能量耗散与残余应变特性的变化规律不仅取决于热压工艺,同时还与循环加载-卸载次数密切相关,并表现出两段式线性特性;通过比较在不同热压工艺参数下制备的飞艇蒙皮材料经循环加载-卸载后产生的耗散能与残余应变的大小,得出最优制备工艺为:热压温度160℃,热压时间600 s。为更加全面的了解不同大小外加循环载荷对于飞艇蒙皮材料的在循环加载-卸载下的能量耗散与变形特性的影响机制,以得出的最优制备工艺为基础,制备飞艇蒙皮材料,并进行循环加载-卸载测试,结果表明:循环测试参数对于经纬向试样的能量耗散与变形特性的影响趋势相同,且在相同循环加载卸载次数下,循环加载负荷越大,经纬向试样的总应变能U、可恢复应变能Ut、耗散能Us越高、应变能可恢复率Wt越低、能量耗散率Ws越高、残余应变εs越多、累计残余应变εnmin越多、最大伸长Lnmax和最小伸长Lnmin越大、相对残余变形指数δ越大;循环卸载负荷越大,经纬向试样的可恢复应变能Ut越小、耗散能Us越大、应变能可恢复率Wt越低、能量耗散率Ws越高、残余应变εs越多、累计残余应变εnmin越多、最小伸长Lnmin越大、相对残余变形指数δ越大;循环加载速度越大,经纬向试样的总应变能U和耗散能Us越小、可恢复应变能Ut越大、应变能可恢复率Wt越高、能量耗散率Ws越低、经纬向试样的各次循环产生的残余应变εs越小、累计残余应变εnmin越小、最大伸长Lnmax和最小伸长Lnmin越小、相对残余变形指数δ越小。探究了高低温交变环境对于飞艇蒙皮材料的在循环加载-卸载下的能量耗散与变形特性的影响机制,结果表明:飞艇蒙皮材料经过400次±80℃的高低温交变处理后,与未经过高低温交变处理后的试样相比,其在循环加载-卸载过程产生的总应变能U、耗散能Us和能量耗散率Ws更大,可恢复应变能Ut和应变能可恢复率Wt更低、残余应变εs和累计残余应变εnmin更多,最大伸长Lnmax和最小伸长Lnmin、相对残余变形指数δ更大,主要是由于材料在高低温交变环境中发生了物理和化学变化。
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