平流層飛艇的艇囊強化和輕量化的仿真方法及制備方法技術

本發明專利技術提供一種平流層飛艇的艇囊強化和輕量化的仿真方法、平流層飛艇及其制備方法，所述仿真方法包括以下步驟：(1)確定需要研究的某一平流層飛艇的基本外形，對其進行建模；(2)進行仿真計算，得到飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力分布；(3)根據艇囊材料的相關特性和安全系數，劃分飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力大于最大安全應力，作為加筋強化區域；(4)選用合適的加強筋材料，滿足輕質要求；在加筋強化區域仿真布置若干沿環向、縱向的加強纖維筋對艇囊進行強化；(5)在艇囊得到強化后，重新仿真計算出艇囊表面應力分布情況，以最大應力為根據，選擇適當的低面密度材料以應用于艇囊。

【技術實現步驟摘要】
平流層飛艇的艇囊強化和輕量化的仿真方法及制備方法
本專利技術涉及平流層大飛艇的
，具體涉及一種平流層飛艇艇囊強化和輕量化的仿真方法、平流層大飛艇及其制備方法。
技術介紹
平流層飛艇是一種輕于空氣的浮空器，依靠空氣浮力駐空，通過太陽能為其提供能源動力，并帶有推進系統，具有不依賴機場或跑道可實現垂直起降、能懸停于任意地理位置上空，運行高度超出空管范圍，不受對流層惡劣天氣影響，可全天侯全天時連續工作，載荷能力強，費效比高，探測范圍廣等優點，在國防與民用中有著廣泛的應用前景。目前，國內外平流層飛艇以軟式為主，不同于硬式、半硬式飛艇的結構形式，軟式飛艇在平流層中完全由艇囊結構承受囊體內外氣體壓差帶來的表面張力控制。平流層環境苛刻，對艇囊蒙皮材料強度要求很高，傳統提升飛艇結構強度的方法主要有直接加強蒙皮材料性能，改變飛艇結構形式。例如多囊體分段式飛艇，變體飛艇等，但試驗過程中不斷有新式問題出現，也沒有從根本上解決飛艇輕量化的問題。例如現有技術CN106240844A一種平流層飛艇囊體強度的設計方法，該專利技術依據平流層飛艇囊體強度設計公式準確的確定飛艇囊體厚度，有效減小平流層飛艇囊體強度設計理論中的設計誤差，提高囊體設計的可靠性，但是該專利技術是從針對艇囊表面整體區域進行強化，難以兼顧飛艇結構輕量化。研究顯示一般飛艇艇囊結構重量占飛艇浮力的40％～60％，而蒙皮材料是平流層飛艇重量和尺寸控制的基礎，同時蒙皮材料必須采用高強度、阻氦氣滲透性能最佳、耐候性最好的輕質材料。可見，蒙皮材料的重量嚴重影響飛艇的載重性能。因此，從蒙皮材料上入手進行飛艇的減重是實現飛艇結構輕量化的根本措施，且具有針對性?；诖?，亟待針對平流層飛艇設計過程中結構輕量化和艇囊強化之間互相制約的難題，研發一種平流層飛艇艇囊在保證艇囊整體應力降低，結構得到整體強化的同時，兼顧了飛艇輕量化這一重要指標的方法。
技術實現思路
本專利技術的目的是通過以下技術方案實現的，一種平流層飛艇艇囊強化和輕量化的仿真方法，包括以下步驟：(1)確定需要研究的某一平流層飛艇的基本外形，對其進行建模；(2)估計飛艇內部氣體在平流層駐留時可能產生的超壓范圍，以最大超壓值作為加載條件，結合飛艇的外形尺寸和超壓條件，對其進行仿真計算，得到飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力分布；(3)根據艇囊材料的相關特性和安全系數，劃分飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力大于最大安全應力的區域，作為加筋強化區域；(4)選用合適的加強筋材料，滿足輕質要求；在加筋強化區域仿真布置若干沿環向、縱向的加強纖維筋對艇囊進行強化；(5)在艇囊得到強化后，重新仿真計算出艇囊表面應力分布情況，以最大應力為根據，選擇適當的低面密度材料以應用于艇囊。進一步，步驟(1)中，所述平流層飛艇基本外形為長橢圓旋成體結構，建模過程中忽略對艇囊應力分析影響不大的尾翼和吊艙的建模。進一步，步驟(2)中，超壓范圍是指平流層飛艇為保證其良好的氣動特性和穩定的駐留高度，一般控制其內外氣體壓差為外界氣壓的3％左右，由于在內部氣體超壓超熱雙重影響下，其壓強可達0-1500Pa，因此為保證平流層飛艇良好的氣動特性和穩定的駐留高度，以此最大超壓值1500Pa作為超壓條件對其進行加載。進一步，步驟(2)中，所述飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力為其中，σX-艇囊表面在X方向上的表面應力，σZ-艇囊表面在Z方向上的表面應力，P-囊體內外氣體壓差，RZ-蒙皮微元在X方向上的曲率半徑，RX-蒙皮微元在X方向上的曲率半徑，n＝RX/RZ。進一步，步驟(3)中，所述艇囊材料的相關特性和安全系數包括，彈性模量3Gpa-15GPa，厚度0.1mm-0.5mm，拉伸強度300N/cm-1200N/cm；安全系數2-6，所述最大安全應力為最大超壓值下所述艇囊材料的最大應力×安全系數。進一步，步驟(3)中，所述加筋強化區域為占飛艇軸長50％～90％中間段區域。進一步，步驟(4)中，所述加強纖維筋材料為芳綸纖維絲(例如Kevlar纖維絲)、聚芳酯纖維絲(Vectran纖維絲)或聚對苯撐苯并雙口惡唑纖維(例PBO)；所述的加強纖維筋寬度范圍為50mm-250mm，厚度為1mm-8mm。進一步，步驟(4)中，所述仿真布置加強纖維筋是通過模擬下述條件進行的：熱壓機熱合作用將艇囊與加強纖維筋通焊接合成一體化，加強纖維筋與艇囊接觸熱合的位置涂抹結合劑，其中環向加強纖維筋沿軸向按應力梯度分布來布置，縱向纖維筋沿周向均勻布置，即環向相鄰纖維筋之間沿軸向的間距不等，其取決于艇囊表面沿軸向的應力梯度，縱向的相鄰纖維筋之間夾角相等，在周向360°內均布，夾角大小取決于縱向分布加強纖維筋的個數，環向布置的加強纖維筋個數大于縱向纖維筋個數；環向加強纖維筋在縱向加強纖維筋外側以對縱向加強纖維筋起到限制作用。本專利技術還提供一種平流層大飛艇的制備方法，其特征在于包括以下步驟：第一步，實施上述仿真方法以選擇適當的低面密度材料；第二步，將所述低面密度材料用于制備平流層飛艇艇囊，得到輕量化的平流層飛艇艇囊；第三步，采用所述步驟(4)中仿真布置加強纖維筋的條件，真實布置加強纖維筋，以對第二步得到的輕量化的平流層飛艇艇囊進行強化。本專利技術還提供一種上述制備方法制備得到的平流層大飛艇。采用仿真算法得到的低面密度材料以及加強筋纖維強化的方法，在囊體超壓情況下，由于艇囊材料和加強纖維筋材料的彈性模量相差巨大，甚至上千倍，艇囊表面在加強纖維筋作用下不再光滑，而是形成許多小“鼓包”，從而減小了兩個方向上的曲率半徑，降低了強化區域的應力，達到飛艇艇囊表面應力改善的目的，從而實現選用輕質的低面密度材料也能滿足應力使用要求。本專利技術艇囊加筋方式不同于傳統的改變飛艇外形、加強蒙皮材料厚度的方式，在基于艇囊應力分布規律的基礎上，以設計出高強度和大有效載荷的工程實用性飛艇為目標，通過事先仿真的方法，僅在艇囊表面應力過大區域沿環向和縱向仿真布置若干高強度、低延伸性的加強纖維筋，在艇囊超壓條件下通過加強纖維筋來分擔艇囊表面的張力。其中，加強纖維筋與囊體通過熱合焊接方式實現一體化，提高艇囊與加強纖維筋的結合特性，保證了加強纖維筋在艇囊上的精準定位與較好的分擔蒙皮應力的效果，且環向加強纖維筋在縱向加強纖維筋外側，降低了熱和焊接技術難度，保證了縱向加強纖維筋的高效性。這樣在艇囊得到強化后，采用較低面密度的蒙皮材料應用于艇囊，飛艇表面積巨大，由此帶來飛艇減重效果顯著，從根本上實現了飛艇的輕量化目標，即達到了兼顧飛艇的整體強化和結構輕量化的目的。綜上，本專利技術的優點在于針對性強，沒有冗余的操作，僅通過事先仿真，針對艇囊表面局部應力過大區域進行仿真加筋強化，同時兼顧了飛艇的整體強化和結構輕量化，具有較高的費效比。本專利技術在未來平流層飛艇設計應用領域有較好的實用價值和廣闊應用前景，此外，本專利技術的技術原理還適用于平流層氣球、熱氣球、低空飛艇和氣球等浮空器的結構強化和輕量化。附圖說明通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對于本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優選實施方式的目的，而并不認為是對本專利技術的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：圖1為本專利技術加筋飛艇效果示意圖。圖2為本專利技術實施流程圖。圖3為本發本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種平流層飛艇的艇囊強化和輕量化的仿真方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)確定需要研究的某一平流層飛艇的基本外形，對其進行建模；(2)估計飛艇內部氣體在平流層駐留時可能產生的超壓范圍，以最大超壓值作為加載條件，結合飛艇的外形尺寸和超壓條件，對其進行仿真計算，得到飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力分布；(3)根據艇囊材料的相關特性和安全系數，劃分飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力大于最大安全應力，作為加筋強化區域；(4)選用合適的加強筋材料，滿足輕質要求；在加筋強化區域仿真布置若干沿環向、縱向的加強纖維筋對艇囊進行強化；(5)在艇囊得到強化后，重新仿真計算出艇囊表面應力分布情況，以最大應力為根據，選擇適當的低面密度材料以應用于艇囊。

【技術特征摘要】
1.一種平流層飛艇的艇囊強化和輕量化的仿真方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)確定需要研究的某一平流層飛艇的基本外形，對其進行建模；(2)估計飛艇內部氣體在平流層駐留時可能產生的超壓范圍，以最大超壓值作為加載條件，結合飛艇的外形尺寸和超壓條件，對其進行仿真計算，得到飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力分布；(3)根據艇囊材料的相關特性和安全系數，劃分飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力大于最大安全應力，作為加筋強化區域；(4)選用合適的加強筋材料，滿足輕質要求；在加筋強化區域仿真布置若干沿環向、縱向的加強纖維筋對艇囊進行強化；(5)在艇囊得到強化后，重新仿真計算出艇囊表面應力分布情況，以最大應力為根據，選擇適當的低面密度材料以應用于艇囊。2.根據權利要求1所述的仿真方法，其特征在于，步驟(2)中，最大超壓值為1500Pa。3.根據權利要求1所述的仿真方法，其特征在于：步驟(2)中，所述飛艇在最大超壓條件下的艇囊表面應力為，其中，σX-艇囊表面在X方向上的表面應力，σZ-艇囊表面在Z方向上的表面應力，P-囊體內外氣體壓差，RZ-蒙皮微元在X方向上的曲率半徑，RX-蒙皮微元在X方向上的曲率半徑，n＝RX/RZ。4.根據權利要求1所述的仿真方法，其特征在于，步驟(3)中，所述艇囊材料的相關特性和安全系數包括，彈性模量3GPa-15GPa，厚度0.1mm-0.5mm，拉伸強度300N/cm-1200N/cm；安全系數2-6，所述最大安全應力為最大超壓值下的所述艇囊材料的最大應力×安全系數。5.根據權利要求1所述的仿真方法，其特征在于，步驟(3)中，所述加筋...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙磊，
申請(專利權)人：北京天恒長鷹科技股份有限公司，
類型：發明
國別省市：北京,11