本發(fā)明屬于真空環(huán)境測試等代方法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大氣環(huán)境下測試真空環(huán)境中薄膜結(jié)構(gòu)動力特性的等代方法。

背景技術(shù)：

空間薄膜陣面結(jié)構(gòu)重量輕、抗振性好、可靠性高、費用低，可用于深空探索太陽帆、雷達薄膜天線等。空間薄膜陣面常采用高比強度、高比剛度的宇航材料，如MylarTM、KaptonTM、鋁箔等?？臻g薄膜陣面為張拉結(jié)構(gòu)，是通過給陣面及邊緣索施加預(yù)應(yīng)力使之具有剛度并承擔(dān)外荷載的柔性張力體系，其剛度主要決定于邊緣幾何外形和預(yù)應(yīng)力水平。由于空間薄膜陣面結(jié)構(gòu)采用的材料極為輕薄，在大氣環(huán)境下，空氣的附加質(zhì)量會大大折減薄膜陣面的剛度。然而，空間薄膜陣面結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境一般空氣極為稀薄，通常不能考慮空氣對其附加質(zhì)量的影響，采用有限元方法是很容易計算出空間薄膜陣面結(jié)構(gòu)在工作環(huán)境下的動力特性，但是要對理論結(jié)果進行試驗驗證就必須開展在真空環(huán)境下薄膜結(jié)構(gòu)動力特性測試，測試成本極高，且目前國內(nèi)開展真空狀態(tài)下薄膜動力特性測試存在困難。

網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)是一種既保證張拉強度同時開孔率可達50-60％的新型PTFE網(wǎng)格膜材料。因此，網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)既具有膜結(jié)構(gòu)易張拉，易焊合，易于施加預(yù)應(yīng)力的特點，同時由于其有較大的開孔率，在大氣環(huán)境下，幾乎可以不用考慮空氣對其動力特性的影響。本發(fā)明基于此研究思路，可以通過測試大氣環(huán)境中網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)的自振特性，從而等代真空狀態(tài)下平面膜的自振特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種大氣環(huán)境下測試真空環(huán)境中薄膜結(jié)構(gòu)動力特性的等代方法，克服現(xiàn)有技術(shù)中不能實現(xiàn)真空環(huán)境薄膜結(jié)構(gòu)動力特性測試的條件。

一種大氣環(huán)境下測試真空環(huán)境中平面薄膜結(jié)構(gòu)動力特性的等代方法，其特征在于，真空環(huán)境中平面薄膜結(jié)構(gòu)動力特性測試由測試大氣環(huán)境下網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)動力特性的方法等代，平面膜與網(wǎng)格膜，均由縱橫交錯的纖維和涂層組成，其中平面膜密實，涂層全覆蓋纖維，沒有孔洞；而網(wǎng)格膜纖維之間稀疏，有一定的孔洞率，涂層全覆蓋纖維，可見圖1。

由達朗貝爾諧波原理，對于線性振動，纖維弦線的振動頻率為

其中，是沿著達朗貝爾弦線橫波的速度，σ_s是預(yù)應(yīng)力，ρ_s是材料的密度，l是弦線的長度。

在真空狀態(tài)下，平面膜結(jié)構(gòu)的振幅都不大，因此可以當(dāng)做線性振動。平面膜與網(wǎng)格膜都由縱橫交錯的纖維弦線織成，其振動特征與纖維弦線的振動特性一致，從達朗貝爾諧波原理可以看出，對于形態(tài)和約束確定的平面膜與網(wǎng)格膜，其振動頻率只與其應(yīng)力的大小和材料的密度(如纖維的密度)相關(guān)，與應(yīng)力的開方成正比，與密度的開方成反比。

優(yōu)選采用網(wǎng)格膜的材料密度與平面薄膜材料密度相同。

由達朗貝爾諧波原理的公式(1)可以看出，薄膜的振動頻率只與應(yīng)力的大小和材料的密度相關(guān)，與應(yīng)力的開方成正比，與密度的開方成反比。考慮到實際的等代過程中，網(wǎng)格膜應(yīng)力的測試和監(jiān)控比較難以控制，對試驗儀器的要求也比較苛刻。另外，如果僅僅控制膜面應(yīng)力相等，往往會造成邊界處力的大小不一致，引起約束邊界的等代條件不完全一致。即進一步優(yōu)選采用尺寸相同的網(wǎng)格膜進行等代，網(wǎng)格膜尺寸即宏觀尺寸長和寬均與平面膜的長和寬相同。

因此本發(fā)明對公式(1)中進行變換，改寫為：

式中，F(xiàn)是膜張力，l是膜的長度，B是膜的寬度，H是膜的厚度，ρ_A是材料的面密度，即單位面積膜的重量。膜張力及單位面積膜的膜重量是非常容易測試的兩個參數(shù)，這樣大大簡化了實際的等代換算工作，使等代測試極易實現(xiàn)。

本發(fā)明可以通過測試大氣環(huán)境中網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)的自振特性，從而等代真空狀態(tài)下平面膜的自振特性。

附圖說明

圖1平面膜與網(wǎng)格膜示意圖；

(a)平面膜，(b)網(wǎng)格膜；

圖2薄膜結(jié)構(gòu)模型(單位：mm)

圖3平面膜數(shù)值計算的模態(tài)；

圖4平面膜試驗裝置

圖5薄膜結(jié)構(gòu)試驗測試的模態(tài)

圖6網(wǎng)格膜的結(jié)構(gòu)模型(單位：mm)

圖7網(wǎng)格膜數(shù)值分析模態(tài)

圖8網(wǎng)格膜試驗裝置

圖9網(wǎng)格膜3在130N張力下的頻響曲線

圖10網(wǎng)格膜實測振型圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步部說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。由于不可能實現(xiàn)真空條件下的實際測試，本發(fā)明實施例采用模擬狀態(tài)進行。

實施例1

(1)平面膜結(jié)構(gòu)振動特性數(shù)值模擬分析

選用ETFE平面薄膜進行平面膜結(jié)構(gòu)振動特性數(shù)值模擬分析，厚度分別為250μm與200μm。平面膜尺寸500mm×500mm，結(jié)構(gòu)模型見圖2，薄膜結(jié)構(gòu)模型材料參數(shù)見表1，模型四周三個位移自由度都約束。采用ABAQUS軟件對此膜結(jié)構(gòu)進行了3種應(yīng)力條件下的頻率分析，結(jié)果見表2。

表1平面膜材料參數(shù)

表2平面膜頻率

數(shù)值模擬的結(jié)果顯示，在材性參數(shù)、薄膜尺寸、邊界條件不變的情況下，平面膜結(jié)構(gòu)的厚度并不影響結(jié)構(gòu)的頻率，結(jié)構(gòu)的頻率只與所施加的應(yīng)力有關(guān)，且頻率值與應(yīng)力的開方成正比。而在應(yīng)力水平、薄膜尺寸、邊界條件不變的情況下，平面膜頻率只與材料密度的開方成反比。

圖3為平面膜前四階主振型，第1階為整體彎曲、第2階沿對角反對稱彎曲、第3階正交反對稱彎曲、第4階為雙正交反對稱彎曲。各應(yīng)力狀態(tài)下所得振型形態(tài)基本一致，僅頻率有差異。

(2)平面膜結(jié)構(gòu)振動特性試驗

采用與數(shù)值模擬分析一樣的平面膜，NJ-250和NJ-200(厚度分別為250μm與200μm的平面膜)進行頻率和模態(tài)測試。平面膜試件定位尺寸500mm×500mm，與數(shù)值分析的平面膜尺寸相同，薄膜焊接雙向包邊繩套，焊縫寬10mm。試件試驗裝置見圖4。試驗測試的頻率與模態(tài)分別見表3和圖5。

表3 250um平面膜基頻試驗與數(shù)值模擬比較

從平面膜結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬與試驗結(jié)果看出，試驗與數(shù)值模擬的各階振型一致，但真空模擬頻率的數(shù)值分析結(jié)果與實測結(jié)果的誤差達到110％左右，可見空氣對平面膜結(jié)構(gòu)的振動影響顯著，因此在大氣環(huán)境中很難測得平面膜結(jié)構(gòu)在真空環(huán)境下的真實頻率。

(3).網(wǎng)格膜與平面膜的等代數(shù)值模擬分析比較

考慮到網(wǎng)格膜特有的鏤空特性，同時又有膜結(jié)構(gòu)易焊接，易張拉的特點，擬采用網(wǎng)格膜來替代平面膜結(jié)構(gòu)來測試結(jié)構(gòu)的頻率。

由達朗貝爾諧波原理的公式(1)可以看出，薄膜的振動頻率只與應(yīng)力的大小和材料的密度相關(guān)，與應(yīng)力的開方成正比，與密度的開方成反比?？紤]到實際的等代過程中，網(wǎng)格膜應(yīng)力的測試和監(jiān)控比較難以控制，對試驗儀器的要求也比較苛刻。另外，如果僅僅控制膜面應(yīng)力相等，往往會造成邊界處力的大小不一致，引起約束邊界的等代條件不完全一致。

因此本發(fā)明對公式(1)中進行變換，改寫為：

式中，F(xiàn)是膜張力，l是膜的長度，B是膜的寬度，H是膜的厚度，ρ_A是材料的面密度，即單位面積膜的重量。

從式(2)可以看出，對于尺寸相同的膜結(jié)構(gòu)，膜的振動頻率跟施加的膜張力和面密度相關(guān)。則在尺寸、膜張力、邊界條件相同的條件下，膜的振動頻率只與單位面積膜重量的開方成反比。膜張力及單位面積膜的膜重量是非常容易測試的兩個參數(shù)，這樣大大簡化了實際的等代換算工作，使等代測試極易實現(xiàn)。

采用網(wǎng)格線等代膜結(jié)構(gòu)進行數(shù)值分析，網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)的尺寸與膜結(jié)構(gòu)完全一樣，結(jié)構(gòu)模型見圖6，所有材性參數(shù)分為二組，第一組材性參數(shù)假設(shè)與平面膜完全一致，第二組采用網(wǎng)格膜真實的材性參數(shù)，材料參數(shù)見表4。采用膜張力相等的等代原則，250um平面膜應(yīng)力與膜張力的換算見表5，數(shù)值分析的頻率及振型見表6和圖7。

表4網(wǎng)格膜數(shù)值模擬材料參數(shù)

表5 250um平面膜應(yīng)力與膜張力的換算

表6網(wǎng)格膜數(shù)值模擬材料參數(shù)

從表6的第1組數(shù)值分析結(jié)果與表3的數(shù)值分析的結(jié)果可以看出，當(dāng)平面膜結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)的尺寸、邊界條件、膜張力相同，假定材料性能也相同時，平面膜結(jié)構(gòu)的各階頻率與網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)的各階頻率相等，各階振型也完全一致。比較表6的第1組數(shù)值分析結(jié)果與第2組的數(shù)值分析結(jié)果可以看出，當(dāng)網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)選用不同的材料時，只有材料面密度影響結(jié)構(gòu)的頻率，且網(wǎng)格膜的頻率與材料面密度的開方成反比，各階振型也一致。綜合上述，從數(shù)值分析的結(jié)果可以得出，當(dāng)平面膜結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)的尺寸、邊界條件、膜張力相同時，平面膜的頻率與網(wǎng)格膜的頻率的比值為網(wǎng)格膜與平面膜的面密度比的開方。

(4)網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)振動特性試驗驗證

網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)試驗試件的尺寸與平面膜結(jié)構(gòu)完全相同，且構(gòu)造特性一致，試驗裝置見圖8。一共選取了三種網(wǎng)格膜SGM-9，F(xiàn)GJ-412-28，F(xiàn)GF-412-30(孔洞率分別為20％，40％，60％)進行頻率測試，材性參數(shù)見表7。為了盡量減少邊框鋁合金夾具的重量對整個加力精度的影響，SGM-9和FGJ-412-28的面密度一致，選取膜邊加載力為150N時進行頻率實測，F(xiàn)GF-412-30的面密度小，根據(jù)比例，膜邊加載力為130N時進行頻率實測。測試結(jié)果與理論結(jié)果的對比見表8，頻響曲線見圖9，實測振型圖見圖10。

表7網(wǎng)格膜數(shù)值模擬材料參數(shù)

表8網(wǎng)格膜的頻率測試結(jié)果與理論值對比

從表7中網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與試驗結(jié)果可以看出，3種孔洞率(20％，40％，60％)網(wǎng)格膜頻率的數(shù)值分析結(jié)果與實測結(jié)果的誤差都在7％以內(nèi)；比較圖10與圖7，試驗與數(shù)值模擬的各階振型也一致，因此認為空氣對網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)的振動頻率的影響可以忽略。這樣就可以使用網(wǎng)格膜在大氣環(huán)境下的測試頻率來替代真空環(huán)境下平面膜結(jié)構(gòu)的頻率。

當(dāng)需要測試陣面膜結(jié)構(gòu)在真空環(huán)境下的頻率時，可以使用網(wǎng)格膜來替代，當(dāng)網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)與陣面膜結(jié)構(gòu)的尺寸、邊界條件、膜張力相同時，陣面膜結(jié)構(gòu)在真空環(huán)境下的頻率可以通過測得大氣環(huán)境下網(wǎng)格膜結(jié)構(gòu)的頻率乘以網(wǎng)格膜面密度與陣面膜面密度比的開方(即)來等代。