[发明专利]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

说明书

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。

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：