ETFE薄膜雙層氣枕結(jié)構(gòu)計算分析及試驗研究.pdf

1、本文以ETFE薄膜雙層氣枕結(jié)構(gòu)的分析方法和結(jié)構(gòu)特性以及ETFE薄膜的力學(xué)性能為研究內(nèi)容，利用非線性有限單元法編制計算程序，以數(shù)值計算分析、膜材單向拉伸試驗及氣枕模型試驗為主要研究方法，對充氣膜結(jié)構(gòu)的找形分析方法、氣枕結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析方法、氣枕結(jié)構(gòu)形式的對比分析、ETFE膜材的基本力學(xué)性能以及ETFE薄膜雙層氣枕模型結(jié)構(gòu)特性等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。 本文研究了已知內(nèi)壓以及膨脹體積條件下的充氣膜結(jié)構(gòu)找形分析方法。以膨脹體積作為約束

2、條件，根據(jù)多元函數(shù)泰勒展開公式推導(dǎo)了約束條件的線性化方程，并由基于U.L.格式的非線性有限單元法，建立了以節(jié)點位移和膜面初始張力為未知量的平衡方程，利用迭代收斂計算編制了在給定內(nèi)部氣壓及膨脹體積情況下的找形分析程序。作為數(shù)值算例，對球面及圓柱面充氣膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了找形計算，得到的數(shù)值結(jié)果與由球面及圓柱面的矢高、內(nèi)壓、初始張力相互關(guān)系得到的理論解進(jìn)行比較。結(jié)果表明，數(shù)值計算結(jié)果與理論解一致，本文提出的分析方法可有效的用于充氣膜結(jié)構(gòu)的找形分析。

3、 基于U.L.格式的非線性有限單元法，編制了ETFE薄膜雙層氣枕找形分析、受荷分析的計算程序，并選取圓形、正六邊形、菱形及正方形共五種工程中常用的氣枕作為計算模型進(jìn)行對比分析。在找形分析時，將矢高、內(nèi)壓和初始張力作為控制參數(shù)進(jìn)行計算并依次給出了三者之間的相互關(guān)系。在受荷分析時，考慮六種給定的荷載工況，計算了ETFE薄膜氣枕體積、內(nèi)壓的變動以及膜面的主應(yīng)力。數(shù)值計算結(jié)果表明，形狀與圓形相差較大的雙層氣枕其力學(xué)性能變化明顯。在氣枕的

4、體積和內(nèi)壓變化不大時，可直接根據(jù)氣枕上層膜面的主應(yīng)力判定氣枕的工作狀態(tài)。 本文對三種厚度的ETFE薄膜沿MD及TD方向裁取的試樣進(jìn)行了單向拉伸試驗，得到了相應(yīng)的應(yīng)力．應(yīng)變拉伸曲線以及抗拉強度和斷裂延伸率。通過分析試驗中得到的拉伸曲線，文中給出了確定曲線上兩個剛性轉(zhuǎn)折點的方法，由此得到對應(yīng)于轉(zhuǎn)折點的屈服應(yīng)力和應(yīng)變。本文給出了ETFE薄膜彈性模量的計算方法，并由拉伸曲線計算得到切線彈性模量、割線彈性模量、第二和第三彈性模量。借助高精

5、度數(shù)字照相方法測定了ETFE薄膜的泊松比。試驗結(jié)果表明，試驗中采用的ETFE薄膜材料沿兩個方向的單向拉伸特性基本相同。 為了研究ETFE薄膜氣枕的結(jié)構(gòu)特性，本文設(shè)計制作了兩個不同矢跨比的ETFE薄膜氣枕模型，進(jìn)行了氣枕形狀測試試驗、加壓以及鋪砂加壓試驗，得到了氣枕形狀坐標(biāo)以及膜面隨氣壓的變形量。論文測試了模型中使用的ETFE材料的切線彈性模量和割線彈性模量，利用非線性有限元法對試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了數(shù)值分析，并將找形分析和應(yīng)力分析結(jié)果與