一种大气环境下测试真空环境中薄膜结构动力特性的等代方法

摘要

一种大气环境下测试真空环境中薄膜结构动力特性的等代方法，属于真空环境测试等代方法技术领域。真空环境中平面薄膜结构动力特性测试由测试大气环境下网格膜结构的结构动力特性的方法等代，平面膜与网格膜，均由纵横交错的纤维和涂层组成，其中平面膜密实，涂层全覆盖纤维，没有孔洞；而网格膜纤维之间稀疏，有一定的孔洞率，涂层全覆盖纤维。可以通过测试大气环境中网格膜结构的自振特性，从而等代真空状态下平面膜的自振特性。

说明书

技术领域

本发明属于真空环境测试等代方法技术领域，具体涉及一种大气环境下测试真空环境中薄膜结构动力特性的等代方法。

背景技术

空间薄膜阵面结构重量轻、抗振性好、可靠性高、费用低，可用于深空探索太阳帆、雷达薄膜天线等。空间薄膜阵面常采用高比强度、高比刚度的宇航材料，如MylarTM、KaptonTM、铝箔等。空间薄膜阵面为张拉结构，是通过给阵面及边缘索施加预应力使之具有刚度并承担外荷载的柔性张力体系，其刚度主要决定于边缘几何外形和预应力水平。由于空间薄膜阵面结构采用的材料极为轻薄，在大气环境下，空气的附加质量会大大折减薄膜阵面的刚度。然而，空间薄膜阵面结构的工作环境一般空气极为稀薄，通常不能考虑空气对其附加质量的影响，采用有限元方法是很容易计算出空间薄膜阵面结构在工作环境下的动力特性，但是要对理论结果进行试验验证就必须开展在真空环境下薄膜结构动力特性测试，测试成本极高，且目前国内开展真空状态下薄膜动力特性测试存在困难。

网格膜结构是一种既保证张拉强度同时开孔率可达50-60％的新型PTFE网格膜材料。因此，网格膜结构既具有膜结构易张拉，易焊合，易于施加预应力的特点，同时由于其有较大的开孔率，在大气环境下，几乎可以不用考虑空气对其动力特性的影响。本发明基于此研究思路，可以通过测试大气环境中网格膜结构的自振特性，从而等代真空状态下平面膜的自振特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种大气环境下测试真空环境中薄膜结构动力特性的等代方法，克服现有技术中不能实现真空环境薄膜结构动力特性测试的条件。

一种大气环境下测试真空环境中平面薄膜结构动力特性的等代方法，其特征在于，真空环境中平面薄膜结构动力特性测试由测试大气环境下网格膜结构的结构动力特性的方法等代，平面膜与网格膜，均由纵横交错的纤维和涂层组成，其中平面膜密实，涂层全覆盖纤维，没有孔洞；而网格膜纤维之间稀疏，有一定的孔洞率，涂层全覆盖纤维，可见图1。

由达朗贝尔谐波原理，对于线性振动，纤维弦线的振动频率为

其中，是沿着达朗贝尔弦线横波的速度，σ_s是预应力，ρ_s是材料的密度，l是弦线的长度。

在真空状态下，平面膜结构的振幅都不大，因此可以当做线性振动。平面膜与网格膜都由纵横交错的纤维弦线织成，其振动特征与纤维弦线的振动特性一致，从达朗贝尔谐波原理可以看出，对于形态和约束确定的平面膜与网格膜，其振动频率只与其应力的大小和材料的密度(如纤维的密度)相关，与应力的开方成正比，与密度的开方成反比。

优选采用网格膜的材料密度与平面薄膜材料密度相同。

由达朗贝尔谐波原理的公式(1)可以看出，薄膜的振动频率只与应力的大小和材料的密度相关，与应力的开方成正比，与密度的开方成反比。考虑到实际的等代过程中，网格膜应力的测试和监控比较难以控制，对试验仪器的要求也比较苛刻。另外，如果仅仅控制膜面应力相等，往往会造成边界处力的大小不一致，引起约束边界的等代条件不完全一致。即进一步优选采用尺寸相同的网格膜进行等代，网格膜尺寸即宏观尺寸长和宽均与平面膜的长和宽相同。

因此本发明对公式(1)中进行变换，改写为：

式中，F是膜张力，l是膜的长度，B是膜的宽度，H是膜的厚度，ρ_A是材料的面密度，即单位面积膜的重量。膜张力及单位面积膜的膜重量是非常容易测试的两个参数，这样大大简化了实际的等代换算工作，使等代测试极易实现。

本发明可以通过测试大气环境中网格膜结构的自振特性，从而等代真空状态下平面膜的自振特性。

附图说明

图1平面膜与网格膜示意图；

(a)平面膜，(b)网格膜；

图2薄膜结构模型(单位：mm)

图3平面膜数值计算的模态；

图4平面膜试验装置

图5薄膜结构试验测试的模态

图6网格膜的结构模型(单位：mm)

图7网格膜数值分析模态

图8网格膜试验装置

图9网格膜3在130N张力下的频响曲线

图10网格膜实测振型图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步部说明，但本发明并不限于以下实施例。由于不可能实现真空条件下的实际测试，本发明实施例采用模拟状态进行。

实施例1

(1)平面膜结构振动特性数值模拟分析

选用ETFE平面薄膜进行平面膜结构振动特性数值模拟分析，厚度分别为250μm与200μm。平面膜尺寸500mm×500mm，结构模型见图2，薄膜结构模型材料参数见表1，模型四周三个位移自由度都约束。采用ABAQUS软件对此膜结构进行了3种应力条件下的频率分析，结果见表2。

表1平面膜材料参数

表2平面膜频率

数值模拟的结果显示，在材性参数、薄膜尺寸、边界条件不变的情况下，平面膜结构的厚度并不影响结构的频率，结构的频率只与所施加的应力有关，且频率值与应力的开方成正比。而在应力水平、薄膜尺寸、边界条件不变的情况下，平面膜频率只与材料密度的开方成反比。

图3为平面膜前四阶主振型，第1阶为整体弯曲、第2阶沿对角反对称弯曲、第3阶正交反对称弯曲、第4阶为双正交反对称弯曲。各应力状态下所得振型形态基本一致，仅频率有差异。

(2)平面膜结构振动特性试验

采用与数值模拟分析一样的平面膜，NJ-250和NJ-200(厚度分别为250μm与200μm的平面膜)进行频率和模态测试。平面膜试件定位尺寸500mm×500mm，与数值分析的平面膜尺寸相同，薄膜焊接双向包边绳套，焊缝宽10mm。试件试验装置见图4。试验测试的频率与模态分别见表3和图5。

表3 250um平面膜基频试验与数值模拟比较

从平面膜结构的数值模拟与试验结果看出，试验与数值模拟的各阶振型一致，但真空模拟频率的数值分析结果与实测结果的误差达到110％左右，可见空气对平面膜结构的振动影响显著，因此在大气环境中很难测得平面膜结构在真空环境下的真实频率。

(3).网格膜与平面膜的等代数值模拟分析比较

考虑到网格膜特有的镂空特性，同时又有膜结构易焊接，易张拉的特点，拟采用网格膜来替代平面膜结构来测试结构的频率。

由达朗贝尔谐波原理的公式(1)可以看出，薄膜的振动频率只与应力的大小和材料的密度相关，与应力的开方成正比，与密度的开方成反比。考虑到实际的等代过程中，网格膜应力的测试和监控比较难以控制，对试验仪器的要求也比较苛刻。另外，如果仅仅控制膜面应力相等，往往会造成边界处力的大小不一致，引起约束边界的等代条件不完全一致。

因此本发明对公式(1)中进行变换，改写为：

式中，F是膜张力，l是膜的长度，B是膜的宽度，H是膜的厚度，ρ_A是材料的面密度，即单位面积膜的重量。

从式(2)可以看出，对于尺寸相同的膜结构，膜的振动频率跟施加的膜张力和面密度相关。则在尺寸、膜张力、边界条件相同的条件下，膜的振动频率只与单位面积膜重量的开方成反比。膜张力及单位面积膜的膜重量是非常容易测试的两个参数，这样大大简化了实际的等代换算工作，使等代测试极易实现。

采用网格线等代膜结构进行数值分析，网格膜结构的尺寸与膜结构完全一样，结构模型见图6，所有材性参数分为二组，第一组材性参数假设与平面膜完全一致，第二组采用网格膜真实的材性参数，材料参数见表4。采用膜张力相等的等代原则，250um平面膜应力与膜张力的换算见表5，数值分析的频率及振型见表6和图7。

表4网格膜数值模拟材料参数

表5 250um平面膜应力与膜张力的换算

表6网格膜数值模拟材料参数

从表6的第1组数值分析结果与表3的数值分析的结果可以看出，当平面膜结构与网格膜结构的尺寸、边界条件、膜张力相同，假定材料性能也相同时，平面膜结构的各阶频率与网格膜结构的各阶频率相等，各阶振型也完全一致。比较表6的第1组数值分析结果与第2组的数值分析结果可以看出，当网格膜结构选用不同的材料时，只有材料面密度影响结构的频率，且网格膜的频率与材料面密度的开方成反比，各阶振型也一致。综合上述，从数值分析的结果可以得出，当平面膜结构与网格膜结构的尺寸、边界条件、膜张力相同时，平面膜的频率与网格膜的频率的比值为网格膜与平面膜的面密度比的开方。

(4)网格膜结构振动特性试验验证

网格膜结构试验试件的尺寸与平面膜结构完全相同，且构造特性一致，试验装置见图8。一共选取了三种网格膜SGM-9，FGJ-412-28，FGF-412-30(孔洞率分别为20％，40％，60％)进行频率测试，材性参数见表7。为了尽量减少边框铝合金夹具的重量对整个加力精度的影响，SGM-9和FGJ-412-28的面密度一致，选取膜边加载力为150N时进行频率实测，FGF-412-30的面密度小，根据比例，膜边加载力为130N时进行频率实测。测试结果与理论结果的对比见表8，频响曲线见图9，实测振型图见图10。

表7网格膜数值模拟材料参数

表8网格膜的频率测试结果与理论值对比

从表7中网格膜结构数值模拟与试验结果可以看出，3种孔洞率(20％，40％，60％)网格膜频率的数值分析结果与实测结果的误差都在7％以内；比较图10与图7，试验与数值模拟的各阶振型也一致，因此认为空气对网格膜结构的振动频率的影响可以忽略。这样就可以使用网格膜在大气环境下的测试频率来替代真空环境下平面膜结构的频率。

当需要测试阵面膜结构在真空环境下的频率时，可以使用网格膜来替代，当网格膜结构与阵面膜结构的尺寸、边界条件、膜张力相同时，阵面膜结构在真空环境下的频率可以通过测得大气环境下网格膜结构的频率乘以网格膜面密度与阵面膜面密度比的开方(即)来等代。