平流层飞艇蒙皮强度建模与仿真研究

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引言
临近空间（ Near space） 是指距离地面高度为 20 ～ 100 公
具有高空长航时、 载荷能力大、 为重要的临近空间定点平台， 监测范围广、 效费比高等显著优势
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。 近年来， 美国、 日本、
这个区域由于在对流层之上， 天气变化影响较小， 里的空域， 且该区域大部分位于电离层以下， 可以免受电磁干扰， 因此 临近空间具有独特的环境优势， 在政治和军事方面具有重要 的开发应用价值， 近年来已成为国际社会关注的热点
基金项目： 国家高新技术研究发展计划 863 项目（ 2011AA7052011 ） 收稿日期： 2012 － 04 － 27
Modeling and Simulation Analysis of Stratospheric Airship Envelope
HUANG Di， ZHAO Hai － tao， QIU Ye， CHEN Ji － an
（ School of Aeronautics and Astronautics，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240 ，China） ABSTRACT： Stratospheric airship possesses huge volume； while the thickness of the envelope is much smaller than the length of the airship． Large deformation or even damage can easily take place under a certain exterior load． In order to provide the basis for the strength design of the airship envelope，the circumferential and axial stress equations of the envelope were established under internal and external differential pressures． The overall stress distribution of the envelope under circumferential and axial stresses was analyzed quantitatively through Von Mises stress approach． Then a finite element model of the airship envelope was established． The stress distribution of the envelope was obtained through the nonlinear finite element simulation in ANSYS． The validation of the theoretical equations was verified by the comparison of the theoretical stress values and the simulation results，which provides a reference for the estimate of the envelope stress distribution． KEYWORDS： Stratospheric airship； Envelope； stress； Finite element simulation
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源自文库。临
近空间飞行器是指能在临近空间作长时间持续飞行的飞行 器， 临近空间飞行器具有航空 、 航天飞行器所不具有的特殊 作用， 特别是在空中观测、 通信、 情报收集以及预警等方面具 由非常大的发展潜能
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。
平流层飞艇作为临近空间飞行器的代表， 是一种轻于空 气的飞行器， 主要由艇囊、 能源系统、 推进系统、 载荷仓等构 成。平流层飞艇依靠空气浮力驻空， 可以可控飞行， 能够成
第 30 卷
第1 期
计
算
机
仿
真
2013 年 1 月
文章编号： 1006 － 9348 （ 2013 ） 01 － 0150 － 04
平流层飞艇蒙皮强度建模与仿真研究
黄 迪， 赵海涛， 邱 野， 陈吉安
（ 上海交通大学航空航天学院， 上海 200240 ） 摘要： 关于飞艇蒙皮强度优化设计问题， 平流层飞艇体积巨大， 而蒙皮厚度远小于飞艇长度， 结构在受载情况下容易发生较 大变形甚至破坏。为了给飞艇蒙皮强度设计提供依据， 建立了飞艇蒙皮在只受内外压差载荷作用下的环向和轴向应力方 程， 用 Von Mises 应力来定量描述蒙皮在环向和轴向应力作用下的整体受力情况 。然后建立了飞艇蒙皮的计算模型， 通过在 ANSYS 中进行非线性仿真分析得到蒙皮各点的受力情况， 并将理论应力值与有限元仿真结果进行了对比， 结果验证了理论 方程的有效性， 为飞艇蒙皮的应力估算提供参考 。 关键词： 平流层飞艇； 蒙皮； 应力； 有限元仿真 中图分类号： V 27 文献标识码： B
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俄罗斯、 以色列等国家积极开展平流层飞艇的研究工作， 例 如美国陆军与洛克希德 · 马丁公司于 2011 年联合研制的 HALE － D 飞艇， 日本 JAXA FHI 于 2003 年研制的 SPF 无人 俄罗斯阿夫古力浮空器中心正 动力飞艇升空达 16． 4 公里， 以色列飞机工业公司 在研究 Berkut 临 近 空 间 设 计 方 案， （ IAI） 也正在研制平流层侦查飞艇［4］ 。由于平流层飞艇工作 大气压力值较小， 因此飞艇只有维持巨大 的环境空气稀薄， 的体积才能提供足够的升力来保证飞艇的正常工作， 所以平 流层飞艇的长度一般较大 。 然而飞艇作为一个充气的柔性 大型囊状结构， 其蒙皮的厚度远小于飞艇的长度， 结构在受 载情况下容易发生较大的变形甚至破坏