航天服軟關(guān)節(jié)壽命影響分析范文

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《航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程雜志》2014年第三期

1方法

1.1Bayes統(tǒng)計方法經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)的統(tǒng)計推斷基于總體信息和樣本信息，而Bayes統(tǒng)計方法［6］在此基礎(chǔ)上還利用了先驗信息，先驗信息主要來源于專家經(jīng)驗和歷史資料。在小樣本試驗中Bayes統(tǒng)計方法利用的信息更為豐富［7-8］。Bayes統(tǒng)計推斷方法(圖1)中先驗信息的收集、加工，影響著推斷的質(zhì)量。因此為了減少先驗信息中主觀因素的存在，目前多采用利用小樣本試驗求出后驗分布，對先驗知識進(jìn)行矯正［9］。

1．2關(guān)節(jié)壽命的影響因素與失效形式假設(shè)目前針對航天服關(guān)節(jié)氣密層在活動中失效的形式主要有兩種假設(shè):A．關(guān)節(jié)層與層之間的摩擦使氣密層摩擦破損失效;B．關(guān)節(jié)氣密層在關(guān)節(jié)活動中的產(chǎn)生的擠壓和褶皺，氣密層材料的反復(fù)擠壓彎折致使材料失效。在本研究開展之前，研究學(xué)者多支持假設(shè)A。假設(shè)A認(rèn)為氣密層材料的耐磨性是影響關(guān)節(jié)氣密層壽命的主要因素，故采用比橡膠材料耐磨性更好的的聚氨酯材料(聚氨酯Taber磨耗0．5～3．5mg，天然橡膠146mg［10］)作為研究對比對象，用以驗證氣密層的失效形式。影響氣密層壽命的幾個主要因素為:1)氣密層工藝，2)氣密層材料，3)氣密層結(jié)構(gòu)形態(tài)。依據(jù)當(dāng)前先驗知識認(rèn)為這3個因素影響程度先驗比例為:=0．4、φ=0．4、γ=0．2。通過本次試驗可以進(jìn)一步矯正各個試驗因素對氣密層壽命的影響程度。

1．3試驗設(shè)計影響因素包含天然橡膠、聚氨酯兩種材料，冷粘接、熱合、整體成型3種工藝，所以設(shè)置4類比樣件:天然橡膠冷粘接樣件、聚氨酯冷粘接、聚氨酯熱合樣件、聚氨酯整體成型樣件。每類樣件設(shè)置3個樣件進(jìn)行試驗。試驗樣件采用波紋關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。冷粘接是利用粘合劑將薄膜粘合。熱合是利用高溫將薄膜快速熔融并壓合，從而使兩片薄膜粘合起來的加工工藝，廣泛應(yīng)用于充氣產(chǎn)品制造。整體成型樣件是利用整體成型技術(shù)將材料原漿直接成型為所需的結(jié)構(gòu)形狀。前兩種工藝適宜加工結(jié)構(gòu)簡單的產(chǎn)品，而整體成型則更適宜加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。天然橡膠的冷粘接工藝、聚氨酯的熱合工藝較為成熟，對粘合部位的物理特性影響較小，兩類樣件的試驗對比可以分析材料的影響;而聚氨酯粘合劑會引起聚氨酯粘合部位的硬化，影響氣密層的活動壽命，與熱合樣件的試驗對比可以分析工藝對氣密層壽命的影響;整體成型采用異形結(jié)構(gòu)設(shè)計，與熱合樣件的壽命對比可以分析結(jié)構(gòu)工藝對氣密層壽命的影響。

1．4試驗條件軟關(guān)節(jié)壽命試驗臺(圖2)是測量關(guān)節(jié)的活動壽命的試驗臺，具備同時檢測關(guān)節(jié)活動阻力、漏氣率的功能。軟關(guān)節(jié)試驗臺利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動帶動關(guān)節(jié)活動，同時采用外置法測量關(guān)節(jié)力矩，利用補(bǔ)償法測量漏氣率。試驗設(shè)置關(guān)節(jié)活動范圍60°，活動速度為每秒活動30°，試驗終止條件為樣件漏率超過0．02SL/min。

2結(jié)果與分析

試驗臺參數(shù)控制狀態(tài)良好，關(guān)節(jié)樣件外形狀態(tài)正常，試驗結(jié)果如下。

2．1壽命試驗結(jié)果4類樣件的具體壽命為:天然橡膠冷粘接樣件壽命3．48萬次、3．28萬次、3．50萬次;聚氨酯冷粘接樣件2．88萬次、3．04萬次、2．98萬次;聚氨酯熱合樣件壽命4．12萬次、3．88萬次、4．12萬次;聚氨酯整體成型樣件10．13萬次、10．65萬次、10．81萬次。4類樣件壽命均值與標(biāo)準(zhǔn)差得到:μ1=3．42，s1=0．1217μ2=2．967，s2=0．0808μ3=4．04，s3=0．1386μ4=10．53，s4=0．3555(1)

2．2氣密層失效形式分析在試驗件中出現(xiàn)破損位置、形式相似。破損位置均在氣密層相對限制層收縮的位置，破損處無明顯摩擦痕跡(圖3)。對聚氨酯氣密層破損位置進(jìn)行掃描電鏡成像(圖4)，未破損區(qū)域與破損區(qū)域界限明顯，與摩擦失效的假設(shè)不符。聚氨酯材料耐磨性能是天然橡膠的數(shù)倍，而彎折疲勞性能略微優(yōu)于天然橡膠。在壽命試驗結(jié)果上聚氨酯熱合樣件與天然橡膠的實驗結(jié)果相比并未達(dá)到成倍差距，這也否定了摩擦失效的假設(shè)。對樣件充壓后膨脹形態(tài)進(jìn)行觀察，氣密層設(shè)計余量較大產(chǎn)生褶皺，這些褶皺處運動時易產(chǎn)生擠壓，造成材料的彎折疲勞。破損位置正是在氣密層的褶皺處，驗證了氣密層活動失效形式為彎折擠壓失效。整體成型氣密層樣件利用賦形結(jié)構(gòu)減少了氣密層充壓后的褶皺，減輕了彎折擠壓現(xiàn)象，最終壽命試驗結(jié)果也明顯優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)形態(tài)的樣件，驗證了彎折擠壓失效假設(shè)。

2．3氣密層壽命影響因素分析試驗以聚氨酯熱合(heatseal，HS)樣件壽命為準(zhǔn)，分析工藝、材料、結(jié)構(gòu)三種影響因素，結(jié)果見表1。由上述試驗結(jié)果可知:結(jié)構(gòu)形態(tài)的改變對關(guān)節(jié)氣密層壽命影響最大。這與本文1．2節(jié)中提出的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)在壽命影響中占有較低比重的先驗假設(shè)不相適宜。

2．4氣密層壽命影響因素的影響程度分析工藝、材料、結(jié)構(gòu)對氣密層壽命的影響分別為1．09萬次、0．62萬次、6．49萬次，則三者總影響為8．48萬次，所占比例分別為0．13293，0．07561，0．79146。設(shè)先驗知識中隊樣本的認(rèn)知為δ，對先驗知識的信任程度為α，試驗對校驗結(jié)果為A，對試驗結(jié)果的信任程度為1－α，把試驗結(jié)果帶入先驗知識中得到δ'''':根據(jù)我們對本次試驗中熱合、粘接等因素的分析，我們假設(shè)對先驗知識的信任程度與對試驗結(jié)果的信任程度相同為0．5，則計算得出工藝、材料、結(jié)構(gòu)形態(tài)后驗影響程度為0．26646，0．23781，0．49573。對工藝、材料、結(jié)構(gòu)形態(tài)3種因素的影響程度先驗知識進(jìn)行了矯正，為Bayes統(tǒng)計推斷在航天服關(guān)節(jié)壽命的可靠度研究奠定了基礎(chǔ)。校驗后的影響程度，加深了對3種氣密層影響因素的認(rèn)識，驗證了氣密層結(jié)構(gòu)形態(tài)對氣密層壽命有較大影響的假設(shè)。

3結(jié)論

分析并驗證了航天服波紋關(guān)節(jié)氣密層失效形式主要為彎折擠壓失效，減少氣密層承壓產(chǎn)生的彎折擠壓會顯著提升氣密層的壽命。對聚氨酯材料在航天服氣密層的應(yīng)用與成型工藝進(jìn)行了探索研究，得到了三種不同工藝的聚氨酯樣件活動壽命。在設(shè)計中，氣密層應(yīng)當(dāng)選用耐磨耐彎折擠壓的材料，并改善結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少氣密層在運動中褶皺的出現(xiàn)，選擇成熟工藝，減小氣密層連接處的硬度、彈性模量等性能變化。本次試驗研究為先進(jìn)艙外航天服長壽命活動關(guān)節(jié)研制提供1種氣密層的設(shè)計思路。同時彎折失效原理適用于彎曲活動類型的多層承壓柔性結(jié)構(gòu)，如多層波紋管、涂層沖鋒衣等。本研究的壽命試驗設(shè)備為外置式驅(qū)動方法，無法模擬航天員著服狀態(tài)下的關(guān)節(jié)活動壽命。后續(xù)的試驗研究中應(yīng)當(dāng)采用內(nèi)置式的試驗方法，在關(guān)節(jié)內(nèi)部安裝仿人體上肢結(jié)構(gòu)的進(jìn)行驅(qū)動，達(dá)到模擬研究航天員著服狀態(tài)，這樣得到的關(guān)節(jié)活動壽命與航天服實際使用狀態(tài)吻合。

作者：張新軍李潭秋劉向陽謝廣輝賀雙喜劉西剛單位：中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室