项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

李天娥

项目受资助机构

太原理工大学

项目编号

51808374

立项年度

2018

立项时间

未公开

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

24.00万元

学科

工程与材料科学-建筑与土木工程-结构工程

学科代码

E-E08-E0804

基金类别

青年科学基金项目

关键词

循环应力 ; 蠕变 ; 飞艇囊体结构 ; 多目标优化 ; 膜材 ; 循环应力 ; 蠕变 ; 飞艇囊体结构 ; 多目标优化 ; 膜材

参与者

安毅；邢颖；邱斌；周燕；段雨童；李洋

参与机构

太原理工大学

项目标书摘要：滞空时间长是平流层飞艇最突出的优势，明确飞艇囊体膜材长时性效应——蠕变及其对结构受力性能的影响是实现长时滞空需要解决的关键问题之一。由于昼夜温差的影响，囊体膜材受到循环应力作用。然而，目前考虑循环应力膜材蠕变的相关研究尚处于探索阶段。本项目采用试验、理论和数值结合的方法，从材料层级到结构层级，实现了考虑循环应力作用下膜材蠕变影响的飞艇囊体结构受力性能与多目标优化研究。具体内容包括:1基于宏观与微观试验，探讨膜材在循环应力作用下的蠕变性能;2结合粘弹性理论，基于试验数据，建立考虑循环应力的蠕变本构;3结合蠕变本构，基于数值模拟，系统地分析蠕变对囊体结构受力性能的影响，提出蠕变影响因子;4结合长时滞空需解决的另外两个关键问题：减阻与减重，基于遗传算法，进行考虑蠕变影响的多目标优化，给出最优设计方案集。研究成果有助于丰富膜材蠕变理论，并对软式飞艇等充气膜结构的研究提供理论与方法指导。

Application Abstract: The capability of staying in the air for long time is the prominent advantage of stratospheric airship.Clarifying the creep,which is a long-term effect,of airship envelope membrane material and its impact on the mechanical properties of the structure is one of the key problems to be solved for achieving long time stay.Due to the temperature difference between day and night,the envelope membrane material is subjected to cyclic stresses.However,the present research on creep of membrane material considering cyclic stresses is still at the exploratory stage.In this research project,the methods of experiment,theory and numerical simulation would be used to realize the research of mechanical performance and multi-objective optimization of airship envelope structure considering the creep of membrane material under cyclic stresses,from the material level to the structural level.The content of this research project includes 1Creep property of membrane material under cyclic stresses will be discussed based on the macroscopic and microscopic tests;2Combined with the viscoelastic theory,the creep constitutive considering cyclic stresses will be established based on the experimental data;3Combined with the creep constitutive,the influence of creep on the mechanical performance of envelope structure will be analyzed systematically based on the numerical simulation.And the influence factor of creep will be proposed;4Combined with the other two key problems for achieving long time stay that are drag reduction and weight reduction,the multi-objective optimization considering the influence of creep will be carried out,and the optimal design set will be given.The research results of this project will enrich the creep theory of membrane material,and provide theoretical and methodological guidance for the research of non-rigid airships and other inflatable membrane structures.

项目受资助省

山西省

项目结题报告(全文)

平流层飞艇工作高度处的空气密度仅约为地面的1/14,意味着需要更轻质量及更大体积来产生足够的净升力。风荷载是平流层飞艇工作过程中的主要外荷载，风荷载作用下的气动特性是飞艇结构设计的主要控制因素，尤其是对于大尺度充气平流层飞艇。为了实现大尺度飞艇提高其受力性能的同时，控制其自重增加比例，基于内部布置碳纤维骨架与充气环的概念新型充气平流层飞艇，本课题对其进行了从材料到结构的系统性研究与评估。膜材力学性能方面，开展了多种膜材单轴拉伸、撕裂及循环拉伸试验，对比了现有膜材单轴拉伸试验夹具，明确了不同夹具的适用性，明确了膜材的破坏形态及各项强度指标。飞艇抗风特性方面，探讨了驻空高度处飞艇不同姿态下的气动特性；对水平姿态与垂直姿态的飞艇进行了风振响应分析，给出风振系数的设计建议值。飞艇静力设计方面，建立了新型充气平流层飞艇的精细化有限元模型，在考虑浮重平衡的基础上，明确了不同姿态下艇体同时承受超压荷载、静荷载、风荷载的力学性能特性。飞艇结构设计优化方面，将新型充气平流层飞艇等效简化为受弯构件，探讨了碳纤维骨架与充气环对飞艇囊体结构受力性能的影响，分析了充气环个数、充气环内压及囊体内压等参数的影响规律，定义了各影响参数的评估指标，给出最优设计参考。本项目的研究成果为实现大尺度、高性能新型充气平流层飞艇的设计提供数据支撑，为推动我国平流层飞艇的发展提供科学依据和理论保障。