基于穩(wěn)定理論的剪切薄膜褶皺發(fā)展過程及其動力特性研究.pdf

1、隨著薄膜結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域和航天器方面的大量應(yīng)用，褶皺問題所帶來的不利影響逐漸引起了人們的廣泛關(guān)注。褶皺的出現(xiàn)不僅會影響到結(jié)構(gòu)的表面精度，而且會改變結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀況，影響結(jié)構(gòu)的振動特性，并對風(fēng)荷載作用下的氣動特性產(chǎn)生不利影響。因此，必須對褶皺的形成特點(diǎn)和發(fā)展過程進(jìn)行深入研究，從而掌握褶皺發(fā)展機(jī)理，及褶皺對薄膜力學(xué)性能的影響規(guī)律，以有助于對褶皺現(xiàn)象進(jìn)行有效控制。雖然實(shí)際工程中薄膜結(jié)構(gòu)的幾何形狀復(fù)雜多變，而平面張拉薄膜是一種形式最簡單的薄

2、膜結(jié)構(gòu)，但通過對平面張拉薄膜的研究可以忽略次要因素，深入分析從薄膜結(jié)構(gòu)中抽象出來的共性問題，揭示出在褶皺產(chǎn)生和發(fā)展過程中，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化規(guī)律。因此，本文將以平面薄膜為研究對象，分析褶皺的產(chǎn)生和發(fā)展規(guī)律，以及對結(jié)構(gòu)靜力特性和動力性能的影響。
　　本文在薄膜結(jié)構(gòu)褶皺問題方面的研究工作，可以分為計(jì)算理論與數(shù)值分析兩個(gè)方面:
　　(1)計(jì)算理論方面:基于穩(wěn)定理論，提出了考慮沿褶皺方向張拉應(yīng)力的影響時(shí)，臨界壓應(yīng)力的計(jì)算方法，并得到

3、了波長和幅值等構(gòu)形參數(shù)的表達(dá)式。通過與已有文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果的比較，表明所得計(jì)算公式是合理有效的，并具有良好的精度。
　　(2)數(shù)值分析方面的研究工作，主要分為以下幾個(gè)部分:
　　a.提出并驗(yàn)證了將褶皺的產(chǎn)生和發(fā)展過程進(jìn)行三階段劃分的思想。通過對褶皺產(chǎn)生和發(fā)展過程的研究發(fā)現(xiàn):褶皺首先發(fā)生在壓應(yīng)力最早出現(xiàn)的部位，然后向中間部位擴(kuò)展，最后達(dá)到穩(wěn)定。因此，該過程表現(xiàn)為:初始階段、擴(kuò)展階段和穩(wěn)定階段三個(gè)典型階段，并對每一階

4、段的褶皺特點(diǎn)進(jìn)行研究。通過對褶皺產(chǎn)生和發(fā)展過程的研究，可以認(rèn)識褶皺機(jī)理，掌握褶皺對薄膜結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響規(guī)律。同時(shí)通過這種劃分，能夠有效地衡量褶皺發(fā)展程度，并方便地對處于特定狀態(tài)的褶皺性狀進(jìn)行研究和描述。
　　b.提出并驗(yàn)證了褶皺控制臨界值的思想，為防止結(jié)構(gòu)因面外變形和褶皺數(shù)量的迅速增大（多）而失效提供量化依據(jù)。對剪切矩形薄膜進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄膜的面外位移達(dá)到膜材厚度的1％時(shí)，就必須對褶皺進(jìn)行控制，否則結(jié)構(gòu)的面外變形會迅速

5、增大，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。
　　c.以薄膜厚度、張拉預(yù)應(yīng)力、初始缺陷為關(guān)鍵參數(shù)，對其在褶皺產(chǎn)生和發(fā)展過程中的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:隨著薄膜厚度的增加，褶皺數(shù)量減少，幅值和波長變大，但面外位移與厚度的比值減小，因此厚度越小，褶皺對結(jié)構(gòu)的不利影響越大;增大張拉預(yù)應(yīng)力，可以延遲褶皺的出現(xiàn)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的面外穩(wěn)定性，但是材料的強(qiáng)度安全儲備會減少，因此應(yīng)合理控制張拉預(yù)應(yīng)力;初始缺陷主要影響到褶皺的位置，尤其是褶皺最先出現(xiàn)的位置，而對褶皺數(shù)量、波