對偏軸拉伸試驗測量囊體材料剪切模量的理論分析

摘 要：囊體是飛艇結(jié)構(gòu)的主要部件，在飛艇的研制過程中，需要確定囊體材料剪切模量，以對飛艇結(jié)構(gòu)完整性分析提供依據(jù)。偏軸拉伸試驗是一種常用的測量材料剪切模量的方法。文章基于復(fù)合材料彈性矩陣，對該方法進(jìn)行理論分析。

關(guān)鍵詞：囊體材料；偏軸拉伸；剪切模量；理論分析

引言

近年來，國際飛艇/系留氣球等浮空器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，各國都立項了大批浮空器項目。對于浮空器來說，囊體是其主要構(gòu)件之一，它是整個浮空器系統(tǒng)的浮力源，需要承受浮空器飛行/懸停過程中的氣動力、推進(jìn)裝置的推力等各種載荷。因此，浮空器囊體材料的性能，尤其是力學(xué)性能，對浮空器的研發(fā)設(shè)計非常重要。

浮空器囊體材料是一種柔性層合薄膜材料，這是一種新興的復(fù)合材料。在浮空器的設(shè)計工作中，飛艇設(shè)計人員需要準(zhǔn)確掌握囊體材料的各種力學(xué)性能，比如囊體材料的彈性模量，剪切模量就是彈性模量的重要組成部分。受材料的非線性等多種因素的影響，且囊體材料中難以產(chǎn)生純剪應(yīng)力狀態(tài)，很難得到囊體材料的剪切模量。45度偏軸拉伸試驗是常用的測量材料面內(nèi)剪切模量的方法[1，2，3，4]，文章將從理論分析角度，分析45偏軸拉伸法測量剪切模量的理論依據(jù)。

1 試驗方法簡介[5]

45度偏軸拉伸法測囊體材料剪切模量的基本方法是：用囊體材料制作一個長方形的測試試樣（比如長寬分別為400mm、100mm），纖維方向與試樣材料的主方向分別成45度角，將試樣一端夾持固定，另一端加載；另外需同時測量試驗中心區(qū)域長邊和短邊方向上的應(yīng)變，計算剪切模量時會用到這個參數(shù)。偏軸拉伸法測量剪切模量如圖1所示，圖1中斜線表示材料主方向。

圖1 偏軸拉伸法示意圖

2 應(yīng)力應(yīng)變分析

對于正交各向異性復(fù)合材料，若其主軸分別為w軸、f軸，則其各個方向應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為

這就是文獻(xiàn)中的公式4-11。

3 結(jié)束語

基于正交各向異性復(fù)合材料各個方向應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到了當(dāng)主應(yīng)力方向與材料主方向成45°的情況下，材料剪切模量與正應(yīng)力、正應(yīng)變的關(guān)系式。特別的，當(dāng)某一方向主應(yīng)力為0時，該關(guān)系式與文獻(xiàn)吻合。

參考文獻(xiàn)

[1]陳務(wù)軍，張麗.織物膜雙軸拉力試驗彈性常數(shù)測試方法[C].中國浮空器大會，2011.

[2]張麗.織物膜雙軸拉伸試驗方法與力學(xué)特性研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2012.

[3]黃賽帥，陳務(wù)軍，董石麟.飛艇囊體膜材彈性常數(shù)雙向拉伸測試與分析方法[J].空間結(jié)構(gòu)，2011，17（2）：84-89.

[4]王言磊，郝慶多，歐進(jìn)萍.復(fù)合材料層合板面內(nèi)剪切試驗方法的評價[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2007，3，6-8.

[5]沈觀林，胡更開.復(fù)合材料力學(xué)[Z].2006.

作者簡介：李偉，就職于中航通飛研究院有限公司，工程師，從事飛行器強度設(shè)計專業(yè)。

何巍，就職于中國特種飛行器研究所，高工，從事飛行器強度設(shè)計專業(yè)。

任三元，就職于中國特種飛行器研究所，研究員，從事飛行器強度設(shè)計專業(yè)。