一種大氣環境下測試真空環境中薄膜結構動力特性的等代方法，屬于真空環境測試等代方法技術領域。真空環境中平面薄膜結構動力特性測試由測試大氣環境下網格膜結構的結構動力特性的方法等代，平面膜與網格膜，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；而網格膜纖維之間稀疏，有一定的孔洞率，涂層全覆蓋纖維。可以通過測試大氣環境中網格膜結構的自振特性，從而等代真空狀態下平面膜的自振特性。
An equivalent method for testing dynamic characteristics of thin film structures in vacuum under atmospheric environment
The utility model relates to an equal generation method for testing the dynamic characteristics of a thin film structure in a vacuum environment, belonging to the technical field of vacuum environment test and other generation methods. The dynamic characteristics of vacuum thin film structure tested by test under atmospheric environment structure dynamic characteristics of grid membrane structure method and grid generation, planar membrane membrane, composed of fiber and coating arranged in a crisscross pattern, wherein the flat mask is dense, full coverage of fiber coating, no holes; and between the fiber membrane has a sparse grid, the void ratio, full coverage of fiber coating. The natural vibration characteristics of the grid film structure in the atmospheric environment can be tested, thus the natural vibration characteristics of the flat surface film in the vacuum state can be obtained.
【技術實現步驟摘要】
一種大氣環境下測試真空環境中薄膜結構動力特性的等代方法
本專利技術屬于真空環境測試等代方法
，具體涉及一種大氣環境下測試真空環境中薄膜結構動力特性的等代方法。
技術介紹
空間薄膜陣面結構重量輕、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?？臻g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。空間薄膜陣面為張拉結構，是通過給陣面及邊緣索施加預應力使之具有剛度并承擔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應力水平。由于空間薄膜陣面結構采用的材料極為輕薄，在大氣環境下，空氣的附加質量會大大折減薄膜陣面的剛度。然而，空間薄膜陣面結構的工作環境一般空氣極為稀薄，通常不能考慮空氣對其附加質量的影響，采用有限元方法是很容易計算出空間薄膜陣面結構在工作環境下的動力特性，但是要對理論結果進行試驗驗證就必須開展在真空環境下薄膜結構動力特性測試，測試成本極高，且目前國內開展真空狀態下薄膜動力特性測試存在困難。網格膜結構是一種既保證張拉強度同時開孔率可達50-60％的新型PTFE網格膜材料。因此，網格膜結構既具有膜結構易張拉，易焊合，易于施加預應力的特點，同時由于其有較大的開孔率，在大氣環境下，幾乎可以不用考慮空氣對其動力特性的影響。本專利技術基于此研究思路，可以通過測試大氣環境中網格膜結構的自振特性，從而等代真空狀態下平面膜的自振特性。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種大氣環境下測試真空環境中薄膜結構動力特性的等代方法，克服現有技術中不能實現真空環境薄膜結構動力特性測試的條件。一種大氣環境下測試真空環境中平面薄膜結構動力特性的等代方法，其特征在于，真空環境中平面薄膜結構動力特性測試由測試大氣環境下網格膜結構的結構動力特性的方法等代，平面膜與網格膜，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，σs是預應力，ρs是材料的密度，l是弦線的長度。在真空狀態下，平面膜結構的振幅都不大，因此可以當做線性振動。平面膜與網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，對于形態和約束確定的平面膜與網格膜，其振動頻率只與其應力的大小和材料的密度(如纖維的密度)相關，與應力的開方成正比，與密度的開方成反比。優選采用網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力的大小和材料的密度相關，與應力的開方成正比，與密度的開方成反比。考慮到實際的等代過程中，網格膜應力的測試和監控比較難以控制，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。即進一步優選采用尺寸相同的網格膜進行等代，網格膜尺寸即宏觀尺寸長和寬均與平面膜的長和寬相同。因此本專利技術對公式(1)中進行變換，改寫為：式中，F是膜張力，l是膜的長度，B是膜的寬度，H是膜的厚度，ρA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，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。本專利技術可以通過測試大氣環境中網格膜結構的自振特性，從而等代真空狀態下平面膜的自振特性。附圖說明圖1平面膜與網格膜示意圖；(a)平面膜，(b)網格膜；圖2薄膜結構模型(單位：mm)圖3平面膜數值計算的模態；圖4平面膜試驗裝置圖5薄膜結構試驗測試的模態圖6網格膜的結構模型(單位：mm)圖7網格膜數值分析模態圖8網格膜試驗裝置圖9網格膜3在130N張力下的頻響曲線圖10網格膜實測振型圖。具體實施方式下面結合實施例對本專利技術作進一步部說明，但本專利技術并不限于以下實施例。由于不可能實現真空條件下的實際測試，本專利技術實施例采用模擬狀態進行。實施例1(1)平面膜結構振動特性數值模擬分析選用ETFE平面薄膜進行平面膜結構振動特性數值模擬分析，厚度分別為250μm與200μm。平面膜尺寸500mm×500mm，結構模型見圖2，薄膜結構模型材料參數見表1，模型四周三個位移自由度都約束。采用ABAQUS軟件對此膜結構進行了3種應力條件下的頻率分析，結果見表2。表1平面膜材料參數表2平面膜頻率數值模擬的結果顯示，在材性參數、薄膜尺寸、邊界條件不變的情況下，平面膜結構的厚度并不影響結構的頻率，結構的頻率只與所施加的應力有關，且頻率值與應力的開方成正比。而在應力水平、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。各應力狀態下所得振型形態基本一致，僅頻率有差異。(2)平面膜結構振動特性試驗采用與數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)進行頻率和模態測試。平面膜試件定位尺寸500mm×500mm，與數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分別見表3和圖5。表3250um平面膜基頻試驗與數值模擬比較從平面膜結構的數值模擬與試驗結果看出，試驗與數值模擬的各階振型一致，但真空模擬頻率的數值分析結果與實測結果的誤差達到110％左右，可見空氣對平面膜結構的振動影響顯著，因此在大氣環境中很難測得平面膜結構在真空環境下的真實頻率。(3).網格膜與平面膜的等代數值模擬分析比較考慮到網格膜特有的鏤空特性，同時又有膜結構易焊接，易張拉的特點，擬采用網格膜來替代平面膜結構來測試結構的頻率。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力的大小和材料的密度相關，與應力的開方成正比，與密度的開方成反比?？紤]到實際的等代過程中，網格膜應力的測試和監控比較難以控制，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。因此本專利技術對公式(1)中進行變換，改寫為：式中，F是膜張力，l是膜的長度，B是膜的寬度，H是膜的厚度，ρA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構，膜的振動頻率跟施加的膜張力和面密度相關。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，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。采用網格線等代膜結構進行數值分析，網格膜結構的尺寸與膜結構完全一樣，結構模型見圖6，所有材性參數分為二組，第一組材性參數假設與平面膜完全一致，第二組采用網格膜真實的材性參數，材料參數見表4。采用膜張力相等的等代原則，250um平面膜應力與膜張力的換算見表5，數值分析的頻率及振型見表6和圖7。表4網格膜數值模擬材料參數表5250um平面膜應力與膜張力的換算表6網格膜數值模擬材料參數從表6的第1組數值分析結果與表3的數值分析的結果可以看出，當平面膜結構與網格本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種大氣環境下測試真空環境中平面薄膜結構動力特性的等代方法，其特征在于，真空環境中平面薄膜結構動力特性測試由測試大氣環境下網格膜結構的結構動力特性的方法等代。
【技術特征摘要】
1.一種大氣環境下測試真空環境中平面薄膜結構動力特性的等代方法，其特征在于，真空環境中平面薄膜結構動力特性測試由測試大氣環境下網格膜結構的結構動力特性的方法等代。2.按照權利要求1所述的一種大氣環境下測試真空環境中平面薄膜結構動力特性的等代方法，其特征在于，平面膜與網格膜，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；而網格膜纖維之間稀疏，有一定的孔洞率，涂層全覆蓋纖維。3.按照權利要求1所述的一種大氣環境下測試真空環境中平面薄膜結構動力特性的等代方法，其特征在于，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，σs是預應力，ρs是材料的密度，l是弦線的長度；對于形態和約束確定的平面膜與網格...
【專利技術屬性】
技術研發人員：何艷麗，謝忠，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：北京,11
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