单兵爬墙装备作为一种新型作战辅助装备，在反恐、救援、城市作战等领域有很高的实用价值。该装备主要由负压发生装置、传输管路、真空吸盘和控制模块4个单元组成，如图1所示。通过真空吸盘内部与大气压产生的内外压力差，将吸盘紧紧地压在墙面上。通过吸盘与壁面间的摩擦力和人体自身重力达成平衡，使用时作战人员交替提升吸盘，实现辅助攀爬垂直外墙壁的功能。
图1 单兵爬墙装备示意图
Fig 1 Schematic of a single soldier climbing wall equipment
单兵爬墙装备使用时的安全问题作为其最重要的性能要求应该放在首位来加以研究解决。因该装备通过离心风机在真空吸盘中产生负压使作战人员吸附在墙壁上，为了提高其安全性，在现有离心风机能够提供的真空度条件下，应该尽量减少真空吸盘的气体泄漏量，来保证其吸附的可靠性[1-2]。
1 现用真空吸盘密封结构的建模与仿真
现用真空吸盘的结构如图2所示，即在轻质高强度合金骨架的外沿加上一圈丁腈橡胶材料的裙座。合金骨架与丁腈橡胶密封裙座形成真空腔，其产生的内外压力差将吸盘紧紧地压在墙壁上，裙座和墙壁产生的摩擦力抵消人自身的重力。丁腈橡胶是一种高弹性、非线性材料，在压力的作用下会发生形变，在理论上能够起到一定的密封作用。下面通过Abaqus有限元软件模拟吸盘受压过程，分析密封裙座对墙壁分格缝的填充能力，从而确定该密封结构性能的好坏。
图2 现用真空吸盘结构剖面图
Fig 2 Profile of present vacuum sucker
1.1 密封结构简化力学模型
在吸盘安全工作的前提下，为了方便进行受力分析，对该模型进行简化，如图3所示。假设稳定工作时，离心风机可以维持吸盘内外压差Δp=-70 kPa，目标负重G=1 500 N，安全系数S=3。设吸盘密封唇边和墙壁的摩擦因数μ=0.4，密封条宽30 mm，高20 mm，重心与墙面距离d=0.4 m，吸盘为矩形吸盘，且各边长度L相同，与墙壁之间的摩擦力为f。为了使吸盘能安全稳定地吸附在墙面，既要保证吸盘不滑落，也要保证吸盘不倾覆[3]。
图3 吸盘受力二维简化模型
Fig 3 Two-dimensional simplified force model of sucker
摩擦力为
f≥GS
其中 f=μ·Δp·L2
(1)
倾覆力矩为
其中
(2)
综合以上两式，出于安全性考虑，取吸盘面积为0.16 m2。此时吸盘受到的正压力为11 200 N。
1.2 城市建筑物外墙面类型简介
目前城市建筑物外墙面的材料主要有以下4种[4]：
(1)镶面类，如天然石材、人造石材、面砖、陶瓷砖、玻璃制品、铝塑板、金属板等；
(2)石碴类，如水刷石、干黏石、刹斧石等；
(3)砂浆类，如水砂浆(用作拉毛灰、甩毛灰)、聚合物水泥砂浆或水泥浆(用作喷漆、滚涂、弹涂)；
(4)色浆涂料，如水泥色浆、乳胶漆。
其中，色浆涂料、玻璃制品、金属板的表面情况最好；然后是砂浆和石渣类，其表面相对粗糙，但是凹凸不太明显；石材、面砖类外墙表面情况最差，单个表面上不仅存在凹凸，而且由于每一个单元的表面小，所以彼此之间的连接处存在较多的缝隙。因此，文中将分析对象定为气体泄漏情况最严重的砖面墙，根据外墙面施工规定，选择最大的分格缝尺寸：长10 mm，宽5 mm。
1.3 吸盘简化密封模型的仿真
橡胶是一种超弹性、可高度变形的材料，所以密封结构具有高度非线性[5]。在进行仿真前做如下几点假设：
①由于橡胶材料泊松比接近0.5，可以视为不可压缩材料；
②材料的拉伸与压缩蠕变性质相同；
③材料行为是各项同性。
在Abaqus中建立如图4所示的简化密封结构的有限元模型并进行网格划分，且对重点研究区域进行网格加密。其中，合金材料弹性模量为70 GPa，泊松比为0.3；壁面材料弹性模量为72 GPa，泊松比为0.49。接触问题采用罚函数，摩擦模型为库仑模型，将吸盘骨架与密封材料设置为Tie接触。丁腈橡胶使用Mooney-Rivlin模型描述其作为超弹性材料的力学特性，其函数表达式[6]为
W=C10(I1-3)+C01(I2-3)
(3)
式中：材料常数C10和C01分别取1.87、0.47 MPa。
图4 密封结构网格模型
Fig 4 Grid model of seal structure
仿真过程建立3个分析步[7]：第一，对吸盘骨架施加一个极小的位移载荷，使该接触问题更容易收敛；第二，对其施加正压力模拟吸盘内外压力差；第三，施加表面力模拟吸盘受到的重力。
1.4 密封唇边变形仿真结果及分析
通过Abaqus对吸盘密封条与墙壁接触时受力情况进行仿真，得到在等效压力和重力的作用下，密封条的变形情况如图5所示。在平行于墙壁的方向，密封条的切向变形量约为0.164 mm，不会造成橡胶材料的松弛；在垂直于墙壁的方向，密封条的法向变形量约为0.262 mm，密封填充率约为2%。真空吸盘泄漏的墙壁缝隙基本没有得到改善，所以该橡胶材料的密封条在防止因分格缝而引起的空气泄漏上基本处于失效状态。
图5 密封结构受力变形图
Fig 5 Mechanical deformation diagram of seal structure
2 新型吸盘密封结构的设计
针对现有单兵爬墙装备专用吸盘存在的问题，其密封结构进行了重新设计，使其既可以提供足够大的摩擦力，又能够比较好地改善因墙壁缝隙的存在而导致的空气泄漏。新结构采用双层材料的组合密封结构：外层使用丁腈橡胶，内层使用硅泡沫橡胶。外层丁腈橡胶在提供足够大的剪切强度的同时[8]，又可以保证吸盘真空腔空间的稳定，维持内部流场的稳定性；内层硅泡沫橡胶是一种可压缩的超弹泡沫材料，相比于丁腈橡胶，泡沫橡胶更加柔软、易变形，在受到压力的情况下，泡沫橡胶可以更好地补充墙壁的缝隙，减少真空吸盘的气体泄漏量。新型密封结构的二维剖面图如图6所示，内层密封材料的高度超出外层密封材料10 mm。
图6 新型密封结构二维剖面图
Fig 6 Two-dimensional profile of the new seal structure
2.1 泡沫橡胶本构方程
为了研究泡沫橡胶的力学性能，首先应建立有效且可靠的本构方程。国内外学者针对橡胶建立了Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型、Flory-Erman模型和Ogden模型。泡沫橡胶材料同时拥有泡沫和橡胶材料的特性，其本构行为也具有超弹特性，但是因为泡孔的存在使材料变得可压缩。
根据文献[9]，由于泡沫橡胶的可压缩超弹性特性，假设它的应变能函数为
W=WA(I1,I2,J)+WB(J)
(4)
式中：第一项是由构型熵的变化引起的应变能；第二项是由热力学性能的变化引起的应变能；J是变形梯度张量F的Jacobi行列式。
WA(I1,I2,J)=UA(I1,I2)+WA(J)
(5)
式中：第一项为等容部分，第二项为体积部分。
UA(I1,I2)=α(I1-3)+β(I2-3)+γ(I1-3)(I2-3)
(6)
式中：α、β、γ为材料参数，是由实验数据拟合确定的。
WA(J)=δ[1+(1-φ)1/2]2(1-φ)2×ES(J-1)lnJ
(7)
式中:φ为孔隙度；ES为基材橡胶的弹性模量；δ是反映泡沫橡胶材料孔隙结构缺陷的常数，由实验数据拟合确定。
WB(J)=A/2[(J2-1)/2-lnJ]
(8)
式中:A是由实验数据得到的材料参数。
综上所述，可以得到泡沫橡胶材料的应变能函数：
W=α(I1-3)+β(I2-3)+γ(I1-3)(I2-3)+
δ[1+(1-φ)1/2]2(1-φ)2×ES(J-1)lnJ+
A/2[(J2-1)/2-lnJ]
(9)
2.2 组合密封结构有限元分析
吸盘内层密封材料选用的硅橡胶泡沫，其等轴试验数据如表1所示。
根据实验结果对内层的泡沫橡胶的材料属性进行设定，外层材料属性和之前保持一致，分析步的设置和之前一致；在平行于墙壁的方向上，根据丁腈橡胶的仿真结果，对其边界条件多施加一个约束；同时由于变形量更大，所以在划分网格时要更加细化，使计算过程更加容易收敛。
表1 泡沫橡胶等轴试验数据
Table 1 Bearing test data of foaming rubber
Abaqus仿真结果如图7所示，在平行于墙壁方向，密封结构由于外层丁腈橡胶的限制，最大切向变形量基本保持在0.164 mm；在垂直于壁面方向，密封材料补偿墙壁缝隙的最大变形量约为2.92 mm。新型密封结构补偿墙壁缝隙的占比率约为40%，使真空吸盘在工作时泄漏面积大大减小。
图7 组合密封结构受力变形图
Fig 7 Mechanical deformation diagram of combined seal structure
3 吸盘内部流场仿真分析
针对普通吸盘和新型吸盘密封结构，利用Fluent对吸盘内部流场进行仿真，对比2种密封结构内部的压力分布。计算域三维模型如图8所示，由于在气体进口处的压力、速度和流量等情况都是未知的，所以要在物理模型的基础上增加扩展区[10]，与未密封的泄漏缝隙相连。使用ICEM对模型进行网格划分，网格数量级达到106。将结果导入到Fluent中进行分析，扩展区入口处边界条件设为一个标准大气压(101 kPa)，排气出口处压力为-70 kPa。离散方法使用有限体积法，求解算法采用SIMPLEC。计算过程求解N-S方程，采用k-ε标准双方程作为湍流计算模型。
图8 真空吸盘流场物理模型
Fig 8 Physical model of vacuum sucker flow field
通过仿真计算，得到了2种密封结构在Y方向流场的压力云图，如图9所示。
图9 吸盘流场Y-Coordinate切面压力云图(kPa)
Fig 9 Pressure cloud map of the shear surface of the suction cup flow field Y-Coordinate (a)current sealing structure;(b)new sealing structure (kPa)
两者对比可知，普通吸盘的真空度是[-60.1,56.6]，使用新型密封结构吸盘的真空度为[-65.7,63.2]，真空度提高了约10.3%。所以新型组合式密封结构可以有效地提高且保持吸盘内真空度，改善了单兵爬墙装备在使用过程中的安全性。
4 结论
(1)针对现有单兵爬墙装备专用吸盘存在的问题，对其密封结构进行优化，利用Abaqus软件分别对单兵爬墙装备专用吸盘优化前后的密封结构进行有限元分析，结果表明，在保证切向变形在要求范围的情况下，优化后密封结构的缝隙补偿率约为40%，大大高于原密封结构密封裙座缝隙补偿率的2%。
(2)新型组合式密封结构大大降低了真空吸盘在使用时的泄漏面积。Fluent分析结果表明，新结构的真空度提高了10%左右，因而可以更好地贴合墙壁缝隙，起到更好的密封作用，在工作过程中保持吸盘内真空度水平，从而保证在单兵爬墙装备能够安全有效地工作。
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