1. 摘要

近些年，高空气球（HAA）为地球观测、通信和太空探索提供了经济的平台，因此其蒙皮的囊体材料引起了广泛研究兴趣。虽然囊体材料的单轴强度已经广泛使用，但仍没有一种可以准确衡量其双轴的强度的测试方法。在之前的研究中，受到应力集中现象的严重影响，试样失效往往发生在非中心区域。由于双轴应力场只出现在中心测试区，故上述的破坏模式无法描述双轴应力状态下的材料破坏特征。

2018年，《Composite Structures》期刊发表了上海交通大学对飞艇囊体编织复合材料双轴强度的研究。该文章对三种HAA囊体材料展开了单轴、1:1双轴测试，获取了载荷-位移曲线，并通过高速相机辅助拍摄失效模式，发现当材料达到强度极限时会出现单裂缝或交叉裂缝破坏。同时，通过有限元仿真进行拟合，最终得到了囊体复合材料的失效规律，推测了第一象限内的失效包线。

2. 测试方法

2.1 材料

为达到多项性能指标要求，囊体材料通常具有复杂的微观结构。

织物复合材料一般由多层薄膜材料经过层合处理后复合而成。其中材料的持力层由经向纱线（经向 Yarns）和纬向纱线（纬向 Yarns）编织得到，在持力层的内外侧均层有若干功能层，起到保护等作用。

图1 高空飞艇囊体典型结构

在本试验中，选取了三种试验件材料，分别展开试验。材料属性如下表所示。

表1 高空飞艇囊体材料属性

2.2 单轴试样设计：

基于ISO 1421标准，设计单轴试样的长度为600mm，宽度为50mm。在试样的两端给出了200mm的夹紧区域，以保证充分夹持。

针对每种材料，制作了六个试验件（三个经向，三个纬向）。使用SANSI-UTM-4000试验机开展实验。

图2 单轴测试试样及试验机

2.3 双轴试样设计：

考虑了（a）和（b）两种形式的试样。

（a）是两块片状编织复合材料缝合成的气袋，通过冲入高压气体以实现破坏，观测失效情况。加载力度可以通过气袋内的压强得到；

（b）是典型的十字型试样，在加载臂上切割出缝隙，以保证应力沿着加载臂方向传递。

经过讨论，最终选择了（b）型试样展开优化。

图3 拟定的两种试样构型

设计出的最终型双轴试样如图所示。该试样的制作工艺比较复杂，包括以下五个步骤：

（1）初选：剔除含显著的破损、剥落、撕裂等初始损伤的囊体材料，将成卷材料进行48h平铺静置处理，降低弓曲和纬斜至3mm/m以下。

（2）裁片：将囊体材料切割成试样形状，误差低于0.5mm/m。

（3）粘贴：将外层（加强片）粘贴到基层（试样本体）。由于粘合剂的抗拉强度（约1.7 MPa）远低于囊体材料，因此固化粘合剂对双轴强度的影响可以忽略不计。同时，粘合剂具有理想的剪切刚度和强度，能够有效传递载荷。

（4）二次粘接：将试样粘贴到EPDM棒上，以方便试样夹持，有效实现载荷的施加。

（5）切割缝隙：在加载臂上，每隔33mm仔细进行手动切缝，所有切缝严格平行于加载方向，避免纱线损伤。

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将试样粘贴到EPDM棒上

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图4 双轴拉伸试样制作过程

2.4 双轴试验设备：

通过自研的液压伺服双轴试验机进行加载。试验机提供了最高30000N的载荷，达到了试样破坏所需的载荷。

同时，采用了一台SVSI-7型高速相机，分辨率800 × 600 dpi，采集速率909fps，以观测断裂瞬间的试样破坏状态。

其它设备：400W补光灯。

图5 双轴测试设备布置

3. 实验开展

单轴拉伸：预加0.5 N/mm载荷，然后检验是否安装垂直。随后继续施加0.1N/m每秒载荷。

双轴拉伸：先夹持EPDM棒，随后施加预拉力，检查平行度，正式加载。加载参数与上文保持一致，同时进行高速相机拍摄。

最后规定了温度为27±1℃，湿度为57±3%。

4. 结果与讨论

4.1 失效模式

在双轴破坏失效模式中，材料1的2个试样产生了纵向裂纹，试样1伴随出现了较小的横向裂纹扩展。材料2的两个试样情况基本一致，纵向裂纹在测试区产生并扩展。材料3的两个试样结果比较有趣，试样1的裂纹是显而易见的，但试样2在横向和纵向均产生了大范围裂纹。这两条裂纹没有明显的先后顺序，可以认为是同时发生的。

同时，所有测试的初始裂纹均沿经线方向，这是由于纬向通常具有比经向更低的强度，因此，在1：1的载荷比下，损伤倾向于沿低强度方向扩展。接下来将在精确应力场的基础上进行进一步的分析。

图6 高速相机采集到的双轴试样失效形式

4.2 载荷-位移曲线

总体而言，囊体材料的载荷-位移曲线表现出典型的非线性本构关系。在载荷初始阶段，试样的刚度逐渐增加，随着加载的进行，刚度逐渐趋向于一个常量。在单轴载荷下，经向和纬向保持了较好的一致性；在双轴载荷下，则有着较大的差别。

对于单轴拉伸，经向和纬向都出现了一小段“低刚度区”，在这一阶段，载荷增加非常缓慢。可以从微观结构的角度解释这一现象：在单轴载荷下，经纱或纬纱的初始松弛和空间卷曲逐渐消除，夹持位移主要来自微观结构的位移，而不是材料的拉伸。这种机理解释了为何低刚度现象发生在在加载伊始阶段。同时，纬向的低刚度现象更加显著，这可能是由于加工过程中的编织顺序导致的。当试样中所有的纱线充分加载并拉直后，载荷-位移曲线逐渐过渡至线性段。

双轴拉伸的结果与单轴拉伸有着较大的差别。载荷-位移曲线没有非常明显的低应力区，这是由于内部纱线是垂直相互排列的，因此施加双轴载荷只能在一定程度上降低微观层面的纱线畸变，无法完全消除。受到上述交错纱线方向以及泊松效应的影响，经向和纬向的切线模量相较于单轴拉伸分别增加了17.11和13.67倍。在1：1的载荷比下，纬向的夹紧位移比经向大，这说明纬向强度更低一些。即双轴加载下，经向的强度也高于纬向。

需要注意，位移数据是通过夹头上的传感器来采集的，并不完全代表试样臂端的位移情况。且双轴载荷试样是胶接的多层结构，故载荷-位移曲线并不能代表其内部真实的应力应变状态。为了获取更加准确的数据，建立了数值仿真。

图7 载荷-位移曲线

4.3 基于有限元软件的应力分析

通过壳单元建模的有限元模型，对囊体材料强度进行复现，试样的最大应力产生于突出的三角形区域，与试验中的损伤起始位置一致。失效载荷与表2中的试验结果拟合较好。

图8 有限元模型结果

表2 囊体材料双轴强度

4.4 双轴强度与失效包线

根据载荷比为1:1的双轴失效强度，绘制应力空间中可能的失效包线。

图9 推测出的第一象限内失效包线

5. 总结

（1）设计并制作了一种新型十字形试样，用于测量高空飞艇囊体的双轴强度。试样由双层加载臂和单层中心测试区组成。经过结构优化，双轴破坏产生于中心测试区。

（2）开展了单轴和双轴拉伸测试。通过载荷-位移曲线发现，单轴拉伸中会出现明显的低刚度段，推测是由于载荷伊始阶段，试样内部经纱和纬纱的初始松弛和空间扭曲逐渐消除导致的。在双轴测试中，这一现象较不明显。同时，在双轴应力状态下，经纱和纬纱的切线模量均提高，且经向的强度始终高于纬向。

（3）采用高速相机记录了失效类型，可以分为单缝断裂和经纬向同时断裂两种模式。

（4）基于有限元仿真软件计算了最大应力，认为在1:1载荷比下，双轴强度为次轴的单轴强度乘以1.1~1.3倍。

（5）基于1:1载荷比的双轴拉伸测试，绘制了应力空间中可能的失效包线。