平流层飞艇的艇囊强化和轻量化的仿真方法及制备方法技术

本发明专利技术提供一种平流层飞艇的艇囊强化和轻量化的仿真方法、平流层飞艇及其制备方法，所述仿真方法包括以下步骤：(1)确定需要研究的某一平流层飞艇的基本外形，对其进行建模；(2)进行仿真计算，得到飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力分布；(3)根据艇囊材料的相关特性和安全系数，划分飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力大于最大安全应力，作为加筋强化区域；(4)选用合适的加强筋材料，满足轻质要求；在加筋强化区域仿真布置若干沿环向、纵向的加强纤维筋对艇囊进行强化；(5)在艇囊得到强化后，重新仿真计算出艇囊表面应力分布情况，以最大应力为根据，选择适当的低面密度材料以应用于艇囊。

【技术实现步骤摘要】
平流层飞艇的艇囊强化和轻量化的仿真方法及制备方法
本专利技术涉及平流层大飞艇的
，具体涉及一种平流层飞艇艇囊强化和轻量化的仿真方法、平流层大飞艇及其制备方法。
技术介绍
平流层飞艇是一种轻于空气的浮空器，依靠空气浮力驻空，通过太阳能为其提供能源动力，并带有推进系统，具有不依赖机场或跑道可实现垂直起降、能悬停于任意地理位置上空，运行高度超出空管范围，不受对流层恶劣天气影响，可全天侯全天时连续工作，载荷能力强，费效比高，探测范围广等优点，在国防与民用中有着广泛的应用前景。目前，国内外平流层飞艇以软式为主，不同于硬式、半硬式飞艇的结构形式，软式飞艇在平流层中完全由艇囊结构承受囊体内外气体压差带来的表面张力控制。平流层环境苛刻，对艇囊蒙皮材料强度要求很高，传统提升飞艇结构强度的方法主要有直接加强蒙皮材料性能，改变飞艇结构形式。例如多囊体分段式飞艇，变体飞艇等，但试验过程中不断有新式问题出现，也没有从根本上解决飞艇轻量化的问题。例如现有技术CN106240844A一种平流层飞艇囊体强度的设计方法，该专利技术依据平流层飞艇囊体强度设计公式准确的确定飞艇囊体厚度，有效减小平流层飞艇囊体强度设计理论中的设计误差，提高囊体设计的可靠性，但是该专利技术是从针对艇囊表面整体区域进行强化，难以兼顾飞艇结构轻量化。研究显示一般飞艇艇囊结构重量占飞艇浮力的40％～60％，而蒙皮材料是平流层飞艇重量和尺寸控制的基础，同时蒙皮材料必须采用高强度、阻氦气渗透性能最佳、耐候性最好的轻质材料。可见，蒙皮材料的重量严重影响飞艇的载重性能。因此，从蒙皮材料上入手进行飞艇的减重是实现飞艇结构轻量化的根本措施，且具有针对性。基于此，亟待针对平流层飞艇设计过程中结构轻量化和艇囊强化之间互相制约的难题，研发一种平流层飞艇艇囊在保证艇囊整体应力降低，结构得到整体强化的同时，兼顾了飞艇轻量化这一重要指标的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的，一种平流层飞艇艇囊强化和轻量化的仿真方法，包括以下步骤：(1)确定需要研究的某一平流层飞艇的基本外形，对其进行建模；(2)估计飞艇内部气体在平流层驻留时可能产生的超压范围，以最大超压值作为加载条件，结合飞艇的外形尺寸和超压条件，对其进行仿真计算，得到飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力分布；(3)根据艇囊材料的相关特性和安全系数，划分飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力大于最大安全应力的区域，作为加筋强化区域；(4)选用合适的加强筋材料，满足轻质要求；在加筋强化区域仿真布置若干沿环向、纵向的加强纤维筋对艇囊进行强化；(5)在艇囊得到强化后，重新仿真计算出艇囊表面应力分布情况，以最大应力为根据，选择适当的低面密度材料以应用于艇囊。进一步，步骤(1)中，所述平流层飞艇基本外形为长椭圆旋成体结构，建模过程中忽略对艇囊应力分析影响不大的尾翼和吊舱的建模。进一步，步骤(2)中，超压范围是指平流层飞艇为保证其良好的气动特性和稳定的驻留高度，一般控制其内外气体压差为外界气压的3％左右，由于在内部气体超压超热双重影响下，其压强可达0-1500Pa，因此为保证平流层飞艇良好的气动特性和稳定的驻留高度，以此最大超压值1500Pa作为超压条件对其进行加载。进一步，步骤(2)中，所述飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力为其中，σX-艇囊表面在X方向上的表面应力，σZ-艇囊表面在Z方向上的表面应力，P-囊体内外气体压差，RZ-蒙皮微元在X方向上的曲率半径，RX-蒙皮微元在X方向上的曲率半径，n＝RX/RZ。进一步，步骤(3)中，所述艇囊材料的相关特性和安全系数包括，弹性模量3Gpa-15GPa，厚度0.1mm-0.5mm，拉伸强度300N/cm-1200N/cm；安全系数2-6，所述最大安全应力为最大超压值下所述艇囊材料的最大应力×安全系数。进一步，步骤(3)中，所述加筋强化区域为占飞艇轴长50％～90％中间段区域。进一步，步骤(4)中，所述加强纤维筋材料为芳纶纤维丝(例如Kevlar纤维丝)、聚芳酯纤维丝(Vectran纤维丝)或聚对苯撑苯并双口恶唑纤维(例PBO)；所述的加强纤维筋宽度范围为50mm-250mm，厚度为1mm-8mm。进一步，步骤(4)中，所述仿真布置加强纤维筋是通过模拟下述条件进行的：热压机热合作用将艇囊与加强纤维筋通焊接合成一体化，加强纤维筋与艇囊接触热合的位置涂抹结合剂，其中环向加强纤维筋沿轴向按应力梯度分布来布置，纵向纤维筋沿周向均匀布置，即环向相邻纤维筋之间沿轴向的间距不等，其取决于艇囊表面沿轴向的应力梯度，纵向的相邻纤维筋之间夹角相等，在周向360°内均布，夹角大小取决于纵向分布加强纤维筋的个数，环向布置的加强纤维筋个数大于纵向纤维筋个数；环向加强纤维筋在纵向加强纤维筋外侧以对纵向加强纤维筋起到限制作用。本专利技术还提供一种平流层大飞艇的制备方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，实施上述仿真方法以选择适当的低面密度材料；第二步，将所述低面密度材料用于制备平流层飞艇艇囊，得到轻量化的平流层飞艇艇囊；第三步，采用所述步骤(4)中仿真布置加强纤维筋的条件，真实布置加强纤维筋，以对第二步得到的轻量化的平流层飞艇艇囊进行强化。本专利技术还提供一种上述制备方法制备得到的平流层大飞艇。采用仿真算法得到的低面密度材料以及加强筋纤维强化的方法，在囊体超压情况下，由于艇囊材料和加强纤维筋材料的弹性模量相差巨大，甚至上千倍，艇囊表面在加强纤维筋作用下不再光滑，而是形成许多小“鼓包”，从而减小了两个方向上的曲率半径，降低了强化区域的应力，达到飞艇艇囊表面应力改善的目的，从而实现选用轻质的低面密度材料也能满足应力使用要求。本专利技术艇囊加筋方式不同于传统的改变飞艇外形、加强蒙皮材料厚度的方式，在基于艇囊应力分布规律的基础上，以设计出高强度和大有效载荷的工程实用性飞艇为目标，通过事先仿真的方法，仅在艇囊表面应力过大区域沿环向和纵向仿真布置若干高强度、低延伸性的加强纤维筋，在艇囊超压条件下通过加强纤维筋来分担艇囊表面的张力。其中，加强纤维筋与囊体通过热合焊接方式实现一体化，提高艇囊与加强纤维筋的结合特性，保证了加强纤维筋在艇囊上的精准定位与较好的分担蒙皮应力的效果，且环向加强纤维筋在纵向加强纤维筋外侧，降低了热和焊接技术难度，保证了纵向加强纤维筋的高效性。这样在艇囊得到强化后，采用较低面密度的蒙皮材料应用于艇囊，飞艇表面积巨大，由此带来飞艇减重效果显著，从根本上实现了飞艇的轻量化目标，即达到了兼顾飞艇的整体强化和结构轻量化的目的。综上，本专利技术的优点在于针对性强，没有冗余的操作，仅通过事先仿真，针对艇囊表面局部应力过大区域进行仿真加筋强化，同时兼顾了飞艇的整体强化和结构轻量化，具有较高的费效比。本专利技术在未来平流层飞艇设计应用领域有较好的实用价值和广阔应用前景，此外，本专利技术的技术原理还适用于平流层气球、热气球、低空飞艇和气球等浮空器的结构强化和轻量化。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1为本专利技术加筋飞艇效果示意图。图2为本专利技术实施流程图。图3为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平流层飞艇的艇囊强化和轻量化的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定需要研究的某一平流层飞艇的基本外形，对其进行建模；(2)估计飞艇内部气体在平流层驻留时可能产生的超压范围，以最大超压值作为加载条件，结合飞艇的外形尺寸和超压条件，对其进行仿真计算，得到飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力分布；(3)根据艇囊材料的相关特性和安全系数，划分飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力大于最大安全应力，作为加筋强化区域；(4)选用合适的加强筋材料，满足轻质要求；在加筋强化区域仿真布置若干沿环向、纵向的加强纤维筋对艇囊进行强化；(5)在艇囊得到强化后，重新仿真计算出艇囊表面应力分布情况，以最大应力为根据，选择适当的低面密度材料以应用于艇囊。

【技术特征摘要】
1.一种平流层飞艇的艇囊强化和轻量化的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定需要研究的某一平流层飞艇的基本外形，对其进行建模；(2)估计飞艇内部气体在平流层驻留时可能产生的超压范围，以最大超压值作为加载条件，结合飞艇的外形尺寸和超压条件，对其进行仿真计算，得到飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力分布；(3)根据艇囊材料的相关特性和安全系数，划分飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力大于最大安全应力，作为加筋强化区域；(4)选用合适的加强筋材料，满足轻质要求；在加筋强化区域仿真布置若干沿环向、纵向的加强纤维筋对艇囊进行强化；(5)在艇囊得到强化后，重新仿真计算出艇囊表面应力分布情况，以最大应力为根据，选择适当的低面密度材料以应用于艇囊。2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，步骤(2)中，最大超压值为1500Pa。3.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于：步骤(2)中，所述飞艇在最大超压条件下的艇囊表面应力为，其中，σX-艇囊表面在X方向上的表面应力，σZ-艇囊表面在Z方向上的表面应力，P-囊体内外气体压差，RZ-蒙皮微元在X方向上的曲率半径，RX-蒙皮微元在X方向上的曲率半径，n＝RX/RZ。4.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，步骤(3)中，所述艇囊材料的相关特性和安全系数包括，弹性模量3GPa-15GPa，厚度0.1mm-0.5mm，拉伸强度300N/cm-1200N/cm；安全系数2-6，所述最大安全应力为最大超压值下的所述艇囊材料的最大应力×安全系数。5.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，步骤(3)中，所述加筋...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵磊，
申请(专利权)人：北京天恒长鹰科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11