ETFE薄膜双层气枕结构计算分析及试验研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 充气膜结构的发展及应用
• 1.1.1 膜结构的形式
• 1.1.2 充气膜结构的分类及特点
• 1.1.3 充气膜结构的发展历程
• 1.2 建筑膜材的分类及性能
• 1.2.1 建筑膜材的分类
• 1.2.2 建筑膜材的性能
• 1.3 ETFE薄膜结构的研究进展
• 1.3.1 国外ETFE薄膜结构的应用及研究
• 1.3.2 国内ETFE气枕结构的研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 双层气枕结构找形分析方法
• 2.1 概述
• 2.2 三角形膜单元增量理论
• 2.2.1 三角形膜单元的形函数
• 2.2.2 几何方程
• 2.2.3 物理方程
• 2.2.4 平衡方程的建立
• 2.3 非线性有限元找形方法
• 2.3.1 有限元法平衡方程的建立
• 2.3.2 有限元找形平衡方程的求解方法
• 2.3.3 计算程序流程图
• 2.4 具有体积约束条件的找形方法
• 2.4.1 充气膜结构的内包体积及其增量
• 2.4.2 体积约束条件找形方法及求解
• 2.4.3 计算程序流程图
• 2.5 找形分析程序的校核
• 2.5.1 找形分析校核理论公式
• 2.5.2 有限元法找形结果的校核
• 2.5.3 具有体积约束条件有限元法找形结果的校核
• 2.6 本章小结
• 第3章 双层气枕结构应力分析的有限元法
• 3.1 概述
• 3.2 膜单元应力计算有限元理论
• 3.2.1 变形梯度矩阵
• 3.2.2 平衡方程的建立及求解
• 3.3 单元受力状态分析
• 3.3.1 单元应力的计算
• 3.3.2 膜面受力状态分析
• 3.3.3 膜面褶皱的处理
• 3.4 双层气枕计算方法研究
• 3.4.1 结构计算方法
• 3.4.2 计算程序流程图
• 3.5 应力计算程序有效性检验
• 3.5.1 算例1:初始张紧的圆形平面薄膜
• 3.5.2 算例2:初始张紧的矩形平面薄膜
• 3.6 本章小结
• 第4章 ETFE薄膜双层气枕结构特性分析
• 4.1 概述
• 4.2 不同边界形状气枕的比较
• 4.2.1 ETFE膜材主要性能
• 4.2.2 找形分析及比较
• 4.2.3 受荷分析及比较
• 4.2.4 体积及内压计算
• 4.3 菱形与正六边形气枕力学特性分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 ETFE薄膜材料单向拉伸性能试验研究
• 5.1 概述
• 5.2 单向拉伸试验方法
• 5.2.1 ETFE薄膜试样
• 5.2.2 拉伸速度
• 5.3 拉伸曲线、抗拉强度与断裂延伸率
• 5.3.1 哑铃形试样和长条形试样的拉伸曲线
• 5.3.2 不同试样厚度及裁取方向的拉伸曲线
• 5.3.3 抗拉强度与断裂延伸率
• 5.4 拉伸曲线分析
• 5.4.1 拉伸曲线的近似分析方法
• 5.4.2 屈服强度与屈服应变
• 5.4.3 弹性模量
• 5.4.4 泊松比
• 5.5 不同拉伸速度下薄膜的拉伸性能
• 5.5.1 薄膜拉伸曲线
• 5.5.2 抗拉强度及断裂伸长率
• 5.5.3 屈服强度及屈服应变
• 5.5.4 弹性模量
• 5.6 本章小结
• 第6章 ETFE薄膜双层气枕模型试验研究
• 6.1 概述
• 6.2 气枕试验模型
• 6.2.1 试验模型设计
• 6.2.2 气密性检验
• 6.3 气枕模型形状测试试验
• 6.4 气枕的充气及加载试验
• 6.4.1 试验加载方案
• 6.4.2 试验测量方法
• 6.4.3 试验结果与数值计算结果的比较
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 进一步研究的方向
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果