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ETFE薄膜双层气枕结构计算分析及试验研究

刘建明  
【摘要】: 本文以ETFE薄膜双层气枕结构的分析方法和结构特性以及ETFE薄膜的力学性能为研究内容,利用非线性有限单元法编制计算程序,以数值计算分析、膜材单向拉伸试验及气枕模型试验为主要研究方法,对充气膜结构的找形分析方法、气枕结构的应力分析方法、气枕结构形式的对比分析、ETFE膜材的基本力学性能以及ETFE薄膜双层气枕模型结构特性等方面进行了较为系统的研究。 本文研究了已知内压以及膨胀体积条件下的充气膜结构找形分析方法。以膨胀体积作为约束条件,根据多元函数泰勒展开公式推导了约束条件的线性化方程,并由基于U.L.格式的非线性有限单元法,建立了以节点位移和膜面初始张力为未知量的平衡方程,利用迭代收敛计算编制了在给定内部气压及膨胀体积情况下的找形分析程序。作为数值算例,对球面及圆柱面充气膜结构进行了找形计算,得到的数值结果与由球面及圆柱面的矢高、内压、初始张力相互关系得到的理论解进行比较。结果表明,数值计算结果与理论解一致,本文提出的分析方法可有效的用于充气膜结构的找形分析。 基于U.L.格式的非线性有限单元法,编制了ETFE薄膜双层气枕找形分析、受荷分析的计算程序,并选取圆形、正六边形、菱形及正方形共五种工程中常用的气枕作为计算模型进行对比分析。在找形分析时,将矢高、内压和初始张力作为控制参数进行计算并依次给出了三者之间的相互关系。在受荷分析时,考虑六种给定的荷载工况,计算了ETFE薄膜气枕体积、内压的变动以及膜面的主应力。数值计算结果表明,形状与圆形相差较大的双层气枕其力学性能变化明显。在气枕的体积和内压变化不大时,可直接根据气枕上层膜面的主应力判定气枕的工作状态。 本文对三种厚度的ETFE薄膜沿MD及TD方向裁取的试样进行了单向拉伸试验,得到了相应的应力-应变拉伸曲线以及抗拉强度和断裂延伸率。通过分析试验中得到的拉伸曲线,文中给出了确定曲线上两个刚性转折点的方法,由此得到对应于转折点的屈服应力和应变。本文给出了ETFE薄膜弹性模量的计算方法,并由拉伸曲线计算得到切线弹性模量、割线弹性模量、第二和第三弹性模量。借助高精度数字照相方法测定了ETFE薄膜的泊松比。试验结果表明,试验中采用的ETFE薄膜材料沿两个方向的单向拉伸特性基本相同。 为了研究ETFE薄膜气枕的结构特性,本文设计制作了两个不同矢跨比的ETFE薄膜气枕模型,进行了气枕形状测试试验、加压以及铺砂加压试验,得到了气枕形状坐标以及膜面随气压的变形量。论文测试了模型中使用的ETFE材料的切线弹性模量和割线弹性模量,利用非线性有限元法对试验模型进行了数值分析,并将找形分析和应力分析结果与试验值进行了比较分析。结果表明,采用割线弹性模量进行数值分析得到的膜面位移与试验值比较吻合。


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