随着科学技术的发展,飞艇技术和理论的逐渐积累完善,使得飞艇的安全性能得到极大提高和保障,飞艇凭借其巨大的军民应用价值和独特优势重新焕发活力。现代飞艇呈现出以发展军事飞艇为主,兼顾民用的特点。近年来平流层飞艇在军事发展中的地位愈发强劲,被世界军事大国一致看好,美国、欧盟、日本等国相继制定了平流层飞艇的研究和验证计划,抢占制高点。研发平流层大型软式飞艇成为我国的战略需要。目前尚未有可在平流层长时间稳定飞行的飞艇。平流层飞艇的研制仍面临诸多关键的技术问题和挑战,如飞艇蒙皮材料的高性能轻量化和撕裂扩展失效的问题。飞艇蒙皮作为软式飞艇主要的结构组成,是建立临近空间飞艇平台的基础,带初始切缝的飞艇蒙皮若发生撕裂扩展,整个飞艇结构将面临失效破坏的危险。本文对带有初始切缝的平流层飞艇蒙皮膜材和具有部分功能层的织物膜材开展了试验研究和理论分析,并借助有限元模拟进一步对影响蒙皮膜材撕裂性能因素进行了分析验证。首先,通过单轴拉伸试验测得了两种膜材的拉伸强度,通过单轴拉伸侧边切缝撕裂试验,研究了膜材临界撕裂应力随切缝长度、试件宽度和切缝比例的变化规律;分析对比两种膜材的撕裂扩展过程,并给出了两种膜材撕裂性能差异的原因。研究表明膜材临界撕裂应力随切缝长度的增大而减小,随试件宽度的增大而增大,有限宽度试件的切缝比例有关;另外当纱线编织较为稀疏且未有介质将纱线层紧密粘接时,撕裂扩展不明显,其切缝尖端的应力集中程度较小,撕裂强度增大;而平流层飞艇蒙皮膜材纱线编织较密,各层复合粘接较好,呈现出了渐进的切缝撕裂扩展过程,但撕裂强度降低;表明经纬向纱线间的相互作用、粘接层的紧密粘接及纱线编织密度对膜材撕裂性能影响很大。其次,采用了三种类型的裂纹扩展的失效理论对试验结果进行了分析。三类撕裂强度理论分别为应力强度因子理论、切缝尖端邻域的指数应力场理论和由简化物理模型得到等比应力传递因子理论。通过理论计算和对比分析得到,固有缺陷理论、考虑尺寸效应的指数应力场理论和等比应力传递因子理论均可用于柔性蒙皮膜材的撕裂强度的研究。其中理论稳定性最好的是固有缺陷理论,该理论计算出的膜材固有裂纹长度可作为衡量膜材织物本身缺陷性能的参考指标。而指数应力场理论和等比应力传递因子理论存在内在的联系,理论公式中反应撕裂性能的经验参数可相互转化,两种理论可作为等价的撕裂强度理论模型。另外基于修正的指数应力场理论得到了本文研究的平流层飞艇蒙皮膜材在容许工作应力下的允许切缝长度。最后,基于有限元仿真软件ABAQUS建立了膜材织物层的分析模型,对纱线进行了单轴拉伸模拟并研究了经纬向纱线间不同的接触作用及编织密度对膜材撕裂性能的影响。研究表明纱线的单轴拉伸断裂应力与纱线编织密度有关,经纬向纱线间的绑定接触使切缝尖端应力集中显著,导致撕裂强度明显低于摩擦接触的情况;且当相同面密度时,编织密度小即纱线粗的膜材具有更好的抗撕裂性能。