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可变形塑料建筑模板的研究及数值模拟分析

赵志杨  
【摘要】:近年来,越来越多的曲面建筑出现在公众视野,这种建筑的出现需要曲面建筑模板施工。传统的建筑模板制造工艺复杂,提高了建筑施工成本。因此为了满足个性化生产需求,本文创新出一种内置碳纤维加热丝的可变形塑料建筑模板。利用热塑性塑料的可再加工性质,结合多点成形技术,对塑料模板进行柔性成形。这种模板可以重复变形使用以适用于多种曲面形状,降低了建筑成本。目前这种新型建筑模板已经申请了国家专利。本文主要的研究内容为验证可变形模板的可行性并通过有限元模拟优化模板变形的成形工艺参数及路径,分析变形过程中产生的缺陷及抑制方法。主要研究内容如下:(1)制造可变形塑料建筑模板的样板。将碳纤维加热丝等距放置在模板内部,塑料原材料加热至熔融态浇注到金属模具,制造出可变形塑料建筑模板的样板。将碳纤维加热丝通电对塑料模板进行加热,再进行简单的柱面弯曲的验证实验。结果表明模板在弯曲后表面没有裂痕同时保持很高的强度,证明塑料模板的重复变形使用是可行的。(2)根据塑料的高温粘弹性以及橡胶的超弹性理论确定模板与弹性垫的材料模型,建立多点成形的有限元模型。探讨模拟过程中的单元选择、载荷的施加方式以及边界条件。选择具有代表性的柱面与马鞍面,对PC、PVC两种塑料模板的变形过程进行数值模拟分析。(3)分析模板在变形过程中主要的压痕缺陷问题。通过模拟不同成形压力、成形温度以及基本体边长尺寸对成形件表面质量的影响,得出不同温度下塑料模板的最小成形压力以及最佳的变形温度。加入弹性垫抑制压痕,模拟不同弹性垫厚度对模板变形后成形件成形质量及成形精度的影响,得出不同基本体边长尺寸下的最佳弹性垫厚度。(4)可变形塑料建筑模板的意义在于它的变形重复使用。模拟两种材料在马鞍面与柱面之间的相互变形,对比初始模板的成形件与第二次变形的成形件两者之间的厚度分布以及平均厚度误差。为了提高塑料模板的使用次数,需要保证模板的厚度分布接近于初始模板的厚度。优化变形路径,分析不同路径下成形件厚度分布的均匀性。通过上述研究表明,将碳纤维加入到塑料模板内制造出的可变形塑料建筑模板是可行的。通过多点成形技术可以得到精度较高的成形件,实现可变形塑料模板的重复使用。


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