题目：平流层超压气球有限元分析

浮空器飞行高度介于航天器和航空器之间，在对地观测分辨率、电子对抗效果等方面均优于航天器；在通信服务覆盖范围、侦察视场范围等方面优于航空器。浮空器还具有执行任务时间长、生存能力强、效费比高的特点，是未来战争重要战略平台。近年来各军事强国对浮空器研究比较重视，国内相关单位也进行了大量研究，但与发达国家相比还有较大差距。平流层气球浮空器结构简单、自重小，是浮空器发展的重要分支。由于气球薄膜材料具有明显几何非线性特性，加上高空环境影响因素较多，其应力分析比较复杂。本文对气球浮空器设计中的关键技术——气球形状设计和气球薄膜材料受力进行了详细研究。文中对薄膜有限元问题进行了扼要分析，并阐述了论文的研究方法。为了明确设计参数，分析了25Km高度的温度、昼夜温差、大气压力、风速、辐射等环境因素，指出了气球薄膜材料在这样的环境条件下的物理特性要求。针对一个具体分析，提出了任务高度、有效载荷和驻留时间等参数的设计值，并分析了对应载荷工况。薄膜加工工艺对气球性能非常重要，研究了气球加工应注意的问题。重点分析了超压气球在给定参数情况下工况，介绍了气球材料选择和ANSYS中气球分析方法。介绍了椭球加圆锥体形状设计和自然形状设计两种气球形状设计方法，求解了两种方法中方程的数值解。对不同设计参数下得到的气球形状进行了对比，针对椭球加圆锥体设计方法进行了剪裁分析，给出了一组设计参数得到的气球形状剪裁坐标。分析对比了有加强筋和没有加强筋气球应力特性，指出了有加强筋设计明显改善气球受力性能。研究了加筋数量、内外压差大小、上下圆面半径、椭球离心率和圆锥顶角等参数对气球的蒙皮材料与加筋绳应力的影响。分析了球形气球设计在超压水平较大情况下的应力，得到了更加均匀的应力分布。考虑到风阻影响，分析了气球在不同风压作用下变形和应力情况。另外对气球模态进行了计算，指出超压气球在风载下一般不会产生共振现象。