航天服軟關節壽命影響分析范文

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《航天醫學與醫學工程雜志》2014年第三期

1方法

1.1Bayes統計方法經典統計學的統計推斷基于總體信息和樣本信息，而Bayes統計方法［6］在此基礎上還利用了先驗信息，先驗信息主要來源于專家經驗和歷史資料。在小樣本試驗中Bayes統計方法利用的信息更為豐富［7-8］。Bayes統計推斷方法(圖1)中先驗信息的收集、加工，影響著推斷的質量。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，對先驗知識進行矯正［9］。

1．2關節壽命的影響因素與失效形式假設目前針對航天服關節氣密層在活動中失效的形式主要有兩種假設:A．關節層與層之間的摩擦使氣密層摩擦破損失效;B．關節氣密層在關節活動中的產生的擠壓和褶皺，氣密層材料的反復擠壓彎折致使材料失效。在本研究開展之前，研究學者多支持假設A。假設A認為氣密層材料的耐磨性是影響關節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)氣密層結構形態。依據當前先驗知識認為這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。每類樣件設置3個樣件進行試驗。試驗樣件采用波紋關節的結構設計。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，廣泛應用于充氣產品制造。整體成型樣件是利用整體成型技術將材料原漿直接成型為所需的結構形狀。前兩種工藝適宜加工結構簡單的產品，而整體成型則更適宜加工復雜結構的產品。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構設計，與熱合樣件的壽命對比可以分析結構工藝對氣密層壽命的影響。

1．4試驗條件軟關節壽命試驗臺(圖2)是測量關節的活動壽命的試驗臺，具備同時檢測關節活動阻力、漏氣率的功能。軟關節試驗臺利用電機旋轉驅動帶動關節活動，同時采用外置法測量關節力矩，利用補償法測量漏氣率。試驗設置關節活動范圍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結果與分析

試驗臺參數控制狀態良好，關節樣件外形狀態正常，試驗結果如下。

2．1壽命試驗結果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準差得到: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行掃描電鏡成像(圖4)，未破損區域與破損區域界限明顯，與摩擦失效的假設不符。聚氨酯材料耐磨性能是天然橡膠的數倍，而彎折疲勞性能略微優于天然橡膠。在壽命試驗結果上聚氨酯熱合樣件與天然橡膠的實驗結果相比并未達到成倍差距，這也否定了摩擦失效的假設。對樣件充壓后膨脹形態進行觀察，氣密層設計余量較大產生褶皺，這些褶皺處運動時易產生擠壓，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構減少了氣密層充壓后的褶皺，減輕了彎折擠壓現象，最終壽命試驗結果也明顯優于其他結構形態的樣件，驗證了彎折擠壓失效假設。

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，分析工藝、材料、結構三種影響因素，結果見表1。由上述試驗結果可知:結構形態的改變對關節氣密層壽命影響最大。這與本文1．2節中提出的關節結構在壽命影響中占有較低比重的先驗假設不相適宜。

2．4氣密層壽命影響因素的影響程度分析工藝、材料、結構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。設先驗知識中隊樣本的認知為δ，對先驗知識的信任程度為α，試驗對校驗結果為A，對試驗結果的信任程度為1－α，把試驗結果帶入先驗知識中得到δ'''':根據我們對本次試驗中熱合、粘接等因素的分析，我們假設對先驗知識的信任程度與對試驗結果的信任程度相同為0．5，則計算得出工藝、材料、結構形態后驗影響程度為0．26646，0．23781，0．49573。對工藝、材料、結構形態3種因素的影響程度先驗知識進行了矯正，為Bayes統計推斷在航天服關節壽命的可靠度研究奠定了基礎。校驗后的影響程度，加深了對3種氣密層影響因素的認識，驗證了氣密層結構形態對氣密層壽命有較大影響的假設。

3結論

分析并驗證了航天服波紋關節氣密層失效形式主要為彎折擠壓失效，減少氣密層承壓產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用與成型工藝進行了探索研究，得到了三種不同工藝的聚氨酯樣件活動壽命。在設計中，氣密層應當選用耐磨耐彎折擠壓的材料，并改善結構設計，減少氣密層在運動中褶皺的出現，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艙外航天服長壽命活動關節研制提供1種氣密層的設計思路。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構，如多層波紋管、涂層沖鋒衣等。本研究的壽命試驗設備為外置式驅動方法，無法模擬航天員著服狀態下的關節活動壽命。后續的試驗研究中應當采用內置式的試驗方法，在關節內部安裝仿人體上肢結構的進行驅動，達到模擬研究航天員著服狀態，這樣得到的關節活動壽命與航天服實際使用狀態吻合。

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