基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法，包括：根據(jù)浮空器抓手連接組件的結(jié)構(gòu)形式與連接工藝，建立抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型；采用柔性建模與分析技術(shù)，獲得抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型在工作狀態(tài)下的變形機(jī)理與失效方式；建立結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對抓手連接組件性能的影響規(guī)律模型；根據(jù)抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型、抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型在工作狀態(tài)下的變形機(jī)理與失效方式、結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對抓手連接組件性能的影響規(guī)律模型，設(shè)置抓手連接組件的各部件的參數(shù)范圍，以設(shè)計(jì)浮空器的抓手連接組件。本發(fā)明可以提高浮空器抓手設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低設(shè)計(jì)成本。
【專利說明】
基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及浮空器設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]浮空器一般是指比重輕于空氣的、依靠大氣浮力升空的飛行器。抓手連接組件是系留氣球、飛艇等浮空器的重要設(shè)計(jì)部位之一，通過抓手連接組件的傳力，可以實(shí)現(xiàn)對浮空器其他部件的固定與操控，有效提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抵抗外載荷能力。新一代先進(jìn)浮空器要求在長航時(shí)、多任務(wù)環(huán)境下都要具有良好的穩(wěn)定性和安全性，作為關(guān)鍵傳力部位，抓手連接組件必須在復(fù)雜惡劣環(huán)境下具備穩(wěn)定良好的使用性能，這對抓手連接組件的設(shè)計(jì)水平提出了重要挑戰(zhàn)。
[0003]浮空器抓手連接組件由抓手結(jié)構(gòu)本身以及與其相連的囊體布和密封布等子結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在復(fù)雜的外載荷以及腐蝕環(huán)境下可能發(fā)生結(jié)構(gòu)失效或破壞。現(xiàn)有的浮空器產(chǎn)品在惡劣氣象環(huán)境下發(fā)生抓手連接部位撕裂失效事件，造成較大經(jīng)濟(jì)損失和人身安全威脅。組成抓手連接組件的子結(jié)構(gòu)大多為柔性薄膜結(jié)構(gòu)，在不同載荷作用下的變形方式具有多樣性，使得抓手連接組件的破壞機(jī)理復(fù)雜。
[0004]目前，針對抓手連接組件的精細(xì)仿真設(shè)計(jì)尚未可見，這是由于設(shè)計(jì)的成本較高。工程上通常將其簡化為連接單元，而對其子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核主要通過試驗(yàn)方法。由于設(shè)計(jì)成本限制，有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)難以形成規(guī)律性的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，此外通過試驗(yàn)也難以確定抓手連接組件的清晰變形過程和破壞機(jī)理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的旨在至少解決所述技術(shù)缺陷之一。
[0006]為此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法，可以解決現(xiàn)有的浮空器抓手設(shè)計(jì)缺乏有效仿真手段，設(shè)計(jì)成本高等問題，從而提高浮空器抓手設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低設(shè)計(jì)成本。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟:
[0008]步驟SI，根據(jù)浮空器抓手連接組件的結(jié)構(gòu)形式與連接工藝，建立所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型，其中，所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型包括:抓手結(jié)構(gòu)、與所述抓手結(jié)構(gòu)連接的囊體布和密封布，所述抓手結(jié)構(gòu)包括:張線、接頭、抓手布和嵌入所述抓手布中的及加強(qiáng)條；
[0009]步驟S2，采用柔性建模與分析技術(shù)，獲得所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型在工作狀態(tài)下的變形機(jī)理與失效方式；
[0010]步驟S3，建立結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對所述抓手連接組件性能的影響規(guī)律模型；
[0011]步驟S4，根據(jù)所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型、所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型在工作狀態(tài)下的變形機(jī)理與失效方式、結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對所述抓手連接組件性能的影響規(guī)律模型，設(shè)置所述抓手連接組件的各部件的參數(shù)范圍，以設(shè)計(jì)所述浮空器的抓手連接組件。
[0012]進(jìn)一步，所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)包括:所述抓手結(jié)構(gòu)的抓手布寬度W、抓手布熱合區(qū)域厚度t、抓手布熱合區(qū)域長度m、加強(qiáng)條數(shù)量η及擴(kuò)張角Θ、囊體布長度L、囊體布寬度W、密封布長度1、密封布寬度h以及囊體布在內(nèi)部充壓下產(chǎn)生的拉伸預(yù)應(yīng)力O。
[0013]進(jìn)一步，在所述步驟S2中，采用柔性建模與分析技術(shù)對所述抓手連接組件的面內(nèi)拉伸載荷下的變形方式和破壞載荷進(jìn)行分析，包括:
[0014]建立所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型的初始參數(shù)，并設(shè)置抓手布的彈性模量和泊松比，對所述囊體布的邊界進(jìn)行簡支約束；
[0015]分析所述抓手連接組件在第一預(yù)設(shè)拉伸載荷下的一階屈曲模態(tài)，提取所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型的臨界屈曲系數(shù)與變形結(jié)果；
[0016]分析所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型在第二預(yù)設(shè)拉伸載荷下的變形和應(yīng)力結(jié)果，抓手結(jié)構(gòu)在面內(nèi)拉伸載荷作用時(shí)，所述抓手布與所述囊體布的表面存在褶皺現(xiàn)象，所述抓手結(jié)構(gòu)在拉伸方向的變形隨載荷變化呈線性，在垂直平面方向的變形具有高度非線性，所述抓手結(jié)構(gòu)的拉伸方向的變形是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主要因素，所述抓手結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平隨載荷變化呈線性。
[0017]進(jìn)一步，在所述步驟S3中，所述建立結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對所述抓手連接組件性能的影響規(guī)律模型，包括所述囊體布的拉伸預(yù)應(yīng)力、所述囊體布的邊界寬度、所述抓手布的熱合區(qū)域厚度以及所述抓手布的寬度參數(shù)對所述抓手連接組件變形與應(yīng)力的影響規(guī)律和幅度分析。
[0018]進(jìn)一步，在所述步驟S3中，對所述囊體布的拉伸預(yù)應(yīng)力對所述抓手連接組件變形與應(yīng)力的影響規(guī)律和幅度、囊體布的邊界寬度對所述抓手連接組件應(yīng)力水平的影響、抓手布的熱合區(qū)域厚度以及抓手布的寬度對抓手連接組件變形與應(yīng)力的影響進(jìn)行分析。
[0019]進(jìn)一步，所述囊體布的邊界寬度大于所述抓手布的寬度的2.5倍;所述抓手布的熱合區(qū)域厚度為0.2?0.5mm;所述抓手布的寬度參數(shù)w/Wo變化范圍位于0.2?0.4，其中，w為抓手布的寬度，Wo為抓手布的寬度的初始參數(shù)。
[0020]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法，建立浮空器抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型并設(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用柔性建模與分析技術(shù)有效地預(yù)測抓手連接組件在工作狀態(tài)下的變形機(jī)理以及可能出現(xiàn)的失效方式，分析結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對抓手連接組件性能的影響規(guī)律模型，同時(shí)可以給出抓手連接組件設(shè)計(jì)所需的合適設(shè)計(jì)參數(shù)范圍。本發(fā)明可以解決現(xiàn)有的浮空器抓手設(shè)計(jì)缺乏有效仿真手段，設(shè)計(jì)成本高等問題，從而提高浮空器抓手設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低設(shè)計(jì)成本。
[0021]本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說明】
[0022]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0023]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法的流程圖；
[0024]圖2(a)和圖2(b)分別為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的浮空器抓手結(jié)構(gòu)的整體和局部示意圖；
[0025]圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的抓手連接組件模型及主要設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖；
[0026]圖4(a)和圖4(b)分別為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的抓手連接組件模型的柔性仿真分析過程的一階屈曲模態(tài)和設(shè)計(jì)載荷下的變形示意圖；
[0027]圖5(a)和圖5(b)為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的抓手連接組件的變形與應(yīng)力隨載荷變化曲線不意圖；
[0028]圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)應(yīng)力位于抓手布與囊體布連接縫處的示意圖；
[0029]圖7為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)應(yīng)力位于囊體布與密封布熱合邊界示意圖；
[0030]圖8(a)和圖8(b)為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的囊體布預(yù)應(yīng)力對抓手連接組件變形與應(yīng)力的影響示意圖；
[0031]圖9為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的囊體布寬度對囊體布與密封布熱合邊界應(yīng)力的影響示意圖；
[0032]圖10(a)和圖10(b)為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的抓手布熱合區(qū)域厚度對抓手連接組件變形與應(yīng)力的影響示意圖；
[0033]圖11(a)和圖11(b)為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的抓手布寬度對抓手連接組件變形與應(yīng)力的影響示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0035]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟:
[0036]步驟SI，根據(jù)浮空器抓手連接組件的結(jié)構(gòu)形式與連接工藝，建立抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型，并明確該結(jié)構(gòu)模型的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。
[0037]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型包括:抓手結(jié)構(gòu)、與抓手結(jié)構(gòu)連接的囊體布和密封布。浮空器主氣囊表面通常設(shè)計(jì)有多個(gè)抓手結(jié)構(gòu)。如圖2所示，每個(gè)抓手結(jié)構(gòu)包括:張線1、接頭2、抓手布3和嵌入抓手布3中的及加強(qiáng)條。在抓手端部與囊體連接處預(yù)留開口縫，通過熱合工藝將抓手布3、囊體布以及密封布連接在一起。
[0038]參考圖2(a)和圖2(b)，抓手布3的形狀為大體扇形。需要說明的是，上述抓手布3的形狀僅是出于示例的目的，而不是為了限制本發(fā)明。浮空器上的抓手布3的形狀不限于圖2所示形狀，還可以為梯形、蛙爪形等，根據(jù)設(shè)計(jì)者的需要進(jìn)行選擇，在此不再贅述。
[0039]如圖3所示，通過受力分析明確抓手連接組件模型的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，包括抓手布3寬度W、抓手布3熱合區(qū)域厚度t、抓手布3熱合區(qū)域長度m、加強(qiáng)條數(shù)量η及擴(kuò)張角Θ、囊體布長度L、囊體布寬度W、密封布長度1、密封布寬度h以及囊體布在內(nèi)部充壓下產(chǎn)生的拉伸預(yù)應(yīng)力σο
[0040]步驟S2，采用柔性建模與分析技術(shù)，獲得抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型在工作狀態(tài)下的變形機(jī)理與失效方式。
[0041]在本步驟中，以抓手結(jié)構(gòu)常見的受面內(nèi)拉伸載荷為例，采用柔性建模與分析技術(shù)對抓手連接組件的面內(nèi)拉伸載荷下的變形方式和破壞載荷進(jìn)行分析。
[0042]具體地，首先建立抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型的初始參數(shù)，并設(shè)置抓手布3的彈性模量和泊松比，對囊體布的邊界進(jìn)行簡支約束。
[0043]以抓手結(jié)構(gòu)常見的受面內(nèi)拉伸載荷為例，設(shè)抓手結(jié)構(gòu)的張線I傳遞的設(shè)計(jì)載荷為F。參照浮空器結(jié)構(gòu)，設(shè)置一組抓手連接組件模型的初始參數(shù)值(對應(yīng)符號加下標(biāo)O)表示。其中，初始參數(shù)值如下:Wo = 560mm，to = 0.2mm，n = 4，θ = 60。，Lo = Wo = 2000mm，I。=則=130mm，ho = 720mm，σ = lOOMPa。
[0044]根據(jù)抓手布3與囊體布材料的編織方法，將其等效為各向同性材料，設(shè)置其彈性模量E = I IGPa，泊松比V = 0.4，該材料破壞強(qiáng)度約為31 IMPa?？紤]圣維南邊界效應(yīng)，將囊體布的邊界進(jìn)行簡支約束。
[0045]然后，利用ABAQUS軟件對抓手連接組件模型進(jìn)行分析。如圖4(a)所示，分析抓手連接組件在第一預(yù)設(shè)拉伸載荷下的一階屈曲模態(tài)，提取抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型的臨界屈曲系數(shù)與變形結(jié)果。其中。第一預(yù)設(shè)拉伸載荷為預(yù)設(shè)的較小拉伸載荷。將得到的抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型的臨界屈曲系數(shù)與變形結(jié)果作為后續(xù)分析基礎(chǔ)。
[0046]如圖4(b)所示，分析抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型在第二預(yù)設(shè)拉伸載荷下的變形和應(yīng)力結(jié)果。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第二預(yù)設(shè)拉伸載荷F = 20KN。
[0047]由于褶皺變形涉及大變形和難收斂問題，在分析時(shí)需要采用收斂性較好的非線性算法分析。圖5(a)和(b)示出了抓手連接組件的變形與應(yīng)力隨載荷變化曲線，結(jié)合圖4對抓手結(jié)構(gòu)的變形方式進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:抓手結(jié)構(gòu)在面內(nèi)拉伸載荷作用時(shí)，抓手布3與囊體布表面存在褶皺現(xiàn)象，抓手結(jié)構(gòu)在拉伸方向的變形隨載荷變化呈線性，而在垂直平面方向的變形具有高度非線性。抓手拉伸方向的變形是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主要因素，因此抓手結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平隨載荷變化也基本呈線性。
[0048]最后，對抓手連接組件的失效方式進(jìn)行分析和驗(yàn)證。具體地，通過上述柔性仿真方法，分別給出在兩組參數(shù)值下抓手連接組件模型的應(yīng)力分布，并給出相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果。其中，兩組參數(shù)值分別為抓手熱合區(qū)域厚度t取0.2mm與抓手熱合區(qū)域厚度t取0.4mm，其余參數(shù)值相同。
[0049]參考圖6和圖7，圖6中抓手熱合區(qū)域厚度為0.2mm，仿真結(jié)果顯示抓手結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)應(yīng)力主要位于抓手布3與囊體布連接縫中間，預(yù)測拉伸載荷約22.5KN時(shí)，抓手結(jié)構(gòu)在與囊體連接處發(fā)生由中間向兩邊撕裂破壞，相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果顯示抓手的破壞載荷約為22KN，破壞位置與仿真結(jié)果相同。
[0050]圖7中抓手熱合區(qū)域厚度增強(qiáng)為0.4mm，仿真結(jié)果顯示抓手結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)應(yīng)力主要位于囊體布與密封布熱合邊界處中間，預(yù)測拉伸載荷約32.5KN時(shí)，抓手連接組件在囊體布與密封布熱合處發(fā)生由中間向兩邊撕裂破壞，相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果顯示抓手的破壞載荷約為33KN，破壞位置與仿真結(jié)果相同。
[0051]綜上，通過柔性仿真分析方法可以得到抓手連接組件模型在面內(nèi)拉伸載荷下的變形方式與破壞載荷，相關(guān)結(jié)果不僅可以得到試驗(yàn)驗(yàn)證，還可以預(yù)測試驗(yàn)不易觀察到的破壞過程。
[0052]步驟S3，建立結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對抓手連接組件性能的影響規(guī)律模型，為抓手連接組件的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
[0053]具體地，抓手連接組件模型的設(shè)計(jì)參數(shù)可以分為結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)因素兩類。
[0054]結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:抓手布3的寬度與厚度、加強(qiáng)條的數(shù)量與張角、囊體布的長度與寬度以及密封布的長度與寬度等。
[0055]非結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:由于浮空器的主氣囊需要充氣維持形狀和提供剛度，囊體布表面會產(chǎn)生與內(nèi)壓大小有關(guān)的預(yù)應(yīng)力。
[0056]在設(shè)計(jì)浮空器的抓手連接組件時(shí)，必須明確并依據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)對抓手連接組件模型剛度和強(qiáng)度的影響關(guān)系。
[0057]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，對上述各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)和非結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析均采用相同的分析方法。
[0058]下面以囊體布的拉伸預(yù)應(yīng)力、囊體布寬度、抓手布3熱合區(qū)域厚度、抓手布3寬度為例，對上述部件對抓手連接組件變形與應(yīng)力的影響規(guī)律及分析說明。需要說明的是，上述選取上述四項(xiàng)參數(shù)的原因在于，抓手連接組件在拉伸破壞方式下，上述參數(shù)對抓手結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平更加敏感。
[0059](I)囊體布的拉伸預(yù)應(yīng)力對抓手連接組件變形與應(yīng)力的影響規(guī)律和幅度
[0060]圖8(a)和(b)示出了囊體布的拉伸預(yù)應(yīng)力對抓手連接組件變形與應(yīng)力的影響規(guī)律和幅度，其參數(shù)變化范圍O?lOOMPa。
[0061]下面對預(yù)應(yīng)力的影響關(guān)系進(jìn)行分析:預(yù)應(yīng)力作用在囊體布表面是，對其變形與應(yīng)力的影響是直接的，預(yù)應(yīng)力的增大提高了囊體布的膜面剛度，因此導(dǎo)致后者變形減小。囊體布的應(yīng)力水平不僅與自身拉伸變形有關(guān)還要疊加預(yù)應(yīng)力水平，自身拉伸變形有逐漸減小，預(yù)應(yīng)力水平穩(wěn)定增加，綜合作用效果使得囊體布的應(yīng)力水平持續(xù)增加。抓手布3受預(yù)應(yīng)力的影響是間接的，隨著囊體布的剛度逐漸變大，抓手布3的剛度相對變?nèi)?，因此變形增加?br>[0062]抓手布3的應(yīng)力主要與自身變形有關(guān)，因此應(yīng)力變化規(guī)律和幅度與變形基本一致。利用該影響規(guī)律，設(shè)計(jì)抓手結(jié)構(gòu)時(shí)，在強(qiáng)度裕度足夠時(shí)，適度增加囊體布的預(yù)應(yīng)力可以有效地提高抓手連接組件抵抗變形能力。
[0063 ] (2)囊體布的邊界寬度對抓手連接組件應(yīng)力水平的影響。
[0064]圖9示出了囊體布邊界寬度對抓手連接組件應(yīng)力水平的影響規(guī)律。以囊體布寬度與抓手布3初始寬度之比W/wo作為參數(shù)，其變化范圍1.5?5。參考圖9，在抓手布3寬度不變的情況下，囊體布邊界寬度變化對自身危險(xiǎn)應(yīng)力的分布和大小影響明顯，而對抓手布3的應(yīng)力分布和數(shù)值影響較小。
[0065]囊體布應(yīng)力影響區(qū)域主要集中在囊體布與密封布熱合邊界上，當(dāng)囊體布寬度方向的邊界靠近熱合邊界時(shí)，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力分布在熱合邊界兩端，應(yīng)力值遠(yuǎn)大于熱合邊界中心，這對抓手連接組件的設(shè)計(jì)不利。隨著囊體布邊界逐漸遠(yuǎn)離熱合邊界，囊體布上的危險(xiǎn)應(yīng)力從熱合邊界兩端逐漸向中間移動，應(yīng)力數(shù)值顯著下降并且趨于穩(wěn)定。
[0066]優(yōu)選的，利用該影響規(guī)律，設(shè)計(jì)抓手結(jié)構(gòu)時(shí)，為避免囊體布邊界對抓手連接組件應(yīng)力的影響，囊體布邊界合適寬度應(yīng)該取抓手布3寬度的2.5倍以上。
[0067](3)抓手布3的熱合區(qū)域厚度以及抓手布3的寬度對抓手連接組件變形與應(yīng)力的影響
[0068]圖10(a)和(b)、圖11(a)和(b)示出了抓手布3熱合區(qū)域厚度以及抓手布3寬度對抓手連接組件變形與應(yīng)力的影響，其厚度參數(shù)t變化范圍為0.2?0.5_，寬度參數(shù)w/Wo變化范圍為0.2?0.4。通過設(shè)置寬度參數(shù)在上述范圍內(nèi)，可以避免囊體布邊界約束的影響。
[0069]參考圖10(a)和10(b)、圖11(a)和(b)，在拉伸載荷不變下，抓手布3熱合區(qū)域厚度以及寬度對抓手布3的變形和應(yīng)力影響近似成反比關(guān)系。即，抓手上的載荷主要通過抓手布3與囊體布熱合邊界截面?zhèn)鬟f到囊體上。對于囊體布，其變形和應(yīng)力水平隨抓手布3寬度增加也顯著減小，但基本不受抓手布3熱合區(qū)域厚度影響。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，本發(fā)明通過增加抓手布3與囊體布熱合邊界的截面面積(t X W)，使得抓手連接組件的可能失效方式由圖6變換到圖7，從而提尚結(jié)構(gòu)的抗破壞臨界載荷。
[0070]步驟S4，根據(jù)抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型、抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型在工作狀態(tài)下的變形機(jī)理與失效方式、結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對抓手連接組件性能的影響規(guī)律模型，設(shè)置抓手連接組件的設(shè)計(jì)過程和合適的參數(shù)范圍，以設(shè)計(jì)浮空器的抓手連接組件。
[0071]在上述步驟SI至S3對抓手設(shè)計(jì)參數(shù)分析基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)浮空器抓手連接組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。以浮空器尾翼與主氣囊抓手連接部位為例，總體給出具體設(shè)計(jì)要求:在尾翼兩側(cè)主囊體上對稱布置N = 5個(gè)抓手，單側(cè)總長度T不超過12000mm，單個(gè)抓手張線I上的最大載荷為20咖，強(qiáng)度安全系數(shù)1.5。
[0072]設(shè)計(jì)浮空器的抓手連接組件的流程如下。
[0073](a)設(shè)置抓手布3的形狀，例如等腰梯形、扇形或蛙爪形等。雖然不同形狀的抓手布3與囊體布的具體連接方法存在差異，使得抓手連接系統(tǒng)破壞機(jī)理以及設(shè)計(jì)參數(shù)影響規(guī)律不盡相同，但均可用采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析。以梯形抓手布3為例，對下述步驟進(jìn)行說明。
[0074](b)設(shè)置抓手布3初始寬度w以及相鄰抓手布3之間的初始間距d，其中距離關(guān)系近似有以下關(guān)系:d=W_w，w*N*W/w = T。
[0075]根據(jù)文中的參數(shù)分析規(guī)律，建議W/w取2.5以上。優(yōu)選的，W/w為4。然后，得到抓手布3的初始寬度w = 600mm以及相鄰抓手布3之間的初始間距d = 1800mm。
[0076](c)設(shè)置抓手布3熱合區(qū)域厚度t。參考步驟S3中規(guī)律分析，當(dāng)抓手布3熱合區(qū)域的厚度超過0.25mm后，梯形抓手連接組件的破壞方式從連接縫處撕裂變?yōu)闊岷线吔缢毫?，后者具有更高的破壞載荷，因此設(shè)置抓手布3熱合區(qū)域厚度t = 0.4mm(兩層布厚度)。
[0077](d)設(shè)置抓手布3熱合區(qū)域長度m、密封布的長度I和寬度h以及抓手布3中加強(qiáng)條的數(shù)量η和張角Θ。對于參數(shù)m、1、h、θ、η的分析，參考步驟S3中對囊體布的拉伸預(yù)應(yīng)力、囊體布寬度、抓手布3熱合區(qū)域厚度、抓手布3寬度的分析方法，不再贅述。
[0078]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，工程上一般取I彡m彡w/4、h多1.3*w，Θ盡量覆蓋超過梯形兩腰的夾角，η取4?6。優(yōu)選的，I =m = 150mm、h = 800mm，θ = 60°，η = 4。
[0079](e)確定抓手連接組件在無預(yù)應(yīng)力下的應(yīng)力分布。在上述過程(a)?(d)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)初步確定后，可以對抓手連接組件在給定設(shè)計(jì)載荷下的強(qiáng)度進(jìn)行分析，此時(shí)不考慮囊體布中的預(yù)應(yīng)力。通過柔性仿真分析，獲得結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位于囊體布與密封布熱合邊界中間，數(shù)值約為135MPa，安全系數(shù)為2.3，其強(qiáng)度可以滿足總體設(shè)計(jì)要求。
[0080](f)確定抓手連接組件中囊體布的預(yù)應(yīng)力水平。
[0081]由于在氣壓作用下囊體布中不可避免存在一定的預(yù)應(yīng)力。根據(jù)上述步驟S3的分析結(jié)果囊體布中的預(yù)應(yīng)力雖然會導(dǎo)致抓手連接組件的應(yīng)力增大，但是在強(qiáng)度裕度足夠時(shí)，適度增加囊體布的預(yù)應(yīng)力可以提高抓手系統(tǒng)抵抗變形能力。步驟(e)中抓手安全系數(shù)為2.3，強(qiáng)度裕度較大，因此設(shè)計(jì)囊體布的預(yù)應(yīng)力水平不超過60MPa。在該數(shù)值下抓手變形已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定。優(yōu)選的，o = 50MPa。在該預(yù)應(yīng)力下，設(shè)計(jì)的抓手連接組件結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力水平約為174MPa，安全系數(shù)為1.8，強(qiáng)度滿足總體設(shè)計(jì)要求。
[0082]綜上，本發(fā)明通過分析浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)需求，并結(jié)合其子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法。通過柔性建模及分析技術(shù)，獲得抓手連接組件的變形方式和破壞機(jī)理，建立結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對抓手連接組件的子結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響因素，補(bǔ)充浮空器抓手連接組件設(shè)計(jì)所需的技術(shù)支撐，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低設(shè)計(jì)成本。
[0083]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法，建立浮空器抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型并設(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用柔性建模與分析技術(shù)有效地預(yù)測抓手連接組件在工作狀態(tài)下的變形機(jī)理以及可能出現(xiàn)的失效方式，分析結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對抓手連接組件性能的影響規(guī)律模型，同時(shí)可以給出抓手連接組件設(shè)計(jì)所需的合適設(shè)計(jì)參數(shù)范圍。本發(fā)明可以解決現(xiàn)有的浮空器抓手設(shè)計(jì)缺乏有效仿真手段，設(shè)計(jì)成本高等問題，從而提高浮空器抓手設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低設(shè)計(jì)成本。
[0084]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0085]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求極其等同限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟Si，根據(jù)浮空器抓手連接組件的結(jié)構(gòu)形式與連接工藝，建立所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型，其中，所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型包括:抓手結(jié)構(gòu)、與所述抓手結(jié)構(gòu)連接的囊體布和密封布，所述抓手結(jié)構(gòu)包括:張線、接頭、抓手布和嵌入所述抓手布中的及加強(qiáng)條；步驟S2，采用柔性建模與分析技術(shù)，獲得所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型在工作狀態(tài)下的變形機(jī)理與失效方式； 步驟S3，建立結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對所述抓手連接組件性能的影響規(guī)律模型； 步驟S4，根據(jù)所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型、所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型在工作狀態(tài)下的變形機(jī)理與失效方式、結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對所述抓手連接組件性能的影響規(guī)律模型，設(shè)置所述抓手連接組件的各部件的參數(shù)范圍，以設(shè)計(jì)所述浮空器的抓手連接組件。2.如權(quán)利要求1所述的基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)包括:所述抓手結(jié)構(gòu)的抓手布寬度W、抓手布熱合區(qū)域厚度t、抓手布熱合區(qū)域長度m、加強(qiáng)條數(shù)量η及擴(kuò)張角Θ、囊體布長度L、囊體布寬度W、密封布長度1、密封布寬度h以及囊體布在內(nèi)部充壓下產(chǎn)生的拉伸預(yù)應(yīng)力O。3.如權(quán)利要求2所述的基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在所述步驟S2中，采用柔性建模與分析技術(shù)對所述抓手連接組件的面內(nèi)拉伸載荷下的變形方式和破壞載荷進(jìn)行分析，包括: 建立所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型的初始參數(shù)，并設(shè)置抓手布的彈性模量和泊松比，對所述囊體布的邊界進(jìn)行簡支約束； 分析所述抓手連接組件在第一預(yù)設(shè)拉伸載荷下的一階屈曲模態(tài)，提取所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型的臨界屈曲系數(shù)與變形結(jié)果； 分析所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型在第二預(yù)設(shè)拉伸載荷下的變形和應(yīng)力結(jié)果，抓手結(jié)構(gòu)在面內(nèi)拉伸載荷作用時(shí)，所述抓手布與所述囊體布的表面存在褶皺現(xiàn)象，所述抓手結(jié)構(gòu)在拉伸方向的變形隨載荷變化呈線性，在垂直平面方向的變形具有高度非線性，所述抓手結(jié)構(gòu)的拉伸方向的變形是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主要因素，所述抓手結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平隨載荷變化呈線性。4.如權(quán)利要求1所述的基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在所述步驟S3中， 所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:所述抓手布的寬度與厚度、所述加強(qiáng)條的數(shù)量與張角、所述囊體布的長度與寬度、所述密封布的長度與寬度； 所述抓手連接組件的結(jié)構(gòu)模型的非結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:所述囊體布的表面產(chǎn)生的與內(nèi)壓相關(guān)的預(yù)應(yīng)力。5.如權(quán)利要求4所述的基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在所述步驟S3中，所述建立結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對所述抓手連接組件性能的影響規(guī)律模型，包括所述囊體布的拉伸預(yù)應(yīng)力、所述囊體布的邊界寬度、所述抓手布的熱合區(qū)域厚度以及所述抓手布的寬度參數(shù)對所述抓手連接組件變形與應(yīng)力的影響規(guī)律和幅度分析。6.如權(quán)利要求5所述的基于柔性仿真的浮空器抓手連接組件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述囊體布的邊界寬度大于所述抓手布的寬度的2.5倍； 所述抓手布的熱合區(qū)域厚度為0.2?0.5mm； 所述抓手布的寬度參數(shù)w/Wo變化范圍位于0.2?0.4，其中，w為抓手布的寬度，Wo為抓手布的寬度的初始參數(shù)。
【文檔編號】G06F17/50GK106055833SQ201610466825
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】張平, 吳文志, 胡子翔, 于坤鵬, 吳斌
【申請人】中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所