基於褶皺勢面的薄膜單元及薄膜結構的褶皺分析

《基於褶皺勢面的薄膜單元及薄膜結構的褶皺分析》是依託北京交通大學，由王曉峰擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於褶皺勢面的薄膜單元及薄膜結構的褶皺分析
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王曉峰
• 依託單位：北京交通大學

項目摘要

薄膜結構褶皺分析是其全過程分析的重要組成部分，但目前常用的分析方法存在著收斂速度慢、計算複雜、不能反映褶皺形成過程和發展程度等的缺陷，需要從基礎方法上進行改進。本項目將單元應變分為彈性應變和褶皺應變兩部分，基於褶皺應變與塑性應變的相似性，根據流動理論，通過假設褶皺勢面函式建立褶皺膜材的單元模型以解決上述難題，並將其拓展到非線性領域，建立有限應變褶皺膜單元；然後將新的單元模型集成到課題組開發的有限元軟體中。同時完成矩形膜片受剪、方形膜片對角受拉以及圓環膜片受扭等試驗，考察其褶皺形態特徵。將數值結果與實驗結果相對照，驗證和改進褶皺單元模型。利用通過正確性驗證的軟體分析薄膜結構在靜荷載作用下褶皺的產生和發展，以及褶皺區應力狀態；研究褶皺狀態下薄膜結構振動特性及其在動荷載作用下的動力行為。

結題摘要

膜材廣泛套用於土木工程中的大跨建築結構以及航空航天領域的空間結構。由於其抗彎剛度很小，出現壓應力時易形成褶皺。褶皺變形直接影響薄膜的表面精度及使用功能。準確分析褶皺變形的影響，有助於發現影響褶皺的主要因素並進行有效的褶皺控制，具有十分重要的意義。目前基於張力場理論的褶皺模型不能度量其褶皺程度，而基於板殼穩定理論的褶皺分析模型，需要劃分細密的格線計算量大，難以套用於薄膜結構的分析。 鑒於此，本項目對褶皺模型從基礎方法上進行了改進，根據褶皺變形與理想彈塑性變形的相似性，通過假設褶皺勢面函式，由流動理論建立新的褶皺分析模型並藉助褶皺應變度量薄膜的褶皺程度解決了上述難題。然後根據建立的褶皺模型研發了考慮褶皺影響的薄膜單元，並採用c++編制了相應的有限元計算程式，對典型算例進行數值分析。通過將分析結果與文獻中相應的理論解、數值解和試驗結果進行對比，驗證了本項目建立的褶皺模型和薄膜單元的正確性和精確性以及褶皺應變度量薄膜褶皺程度的合理性和可靠性。 之後，採用本項目建立的薄膜單元，分析了預應力、幾何和物理參數以及邊界條件等因素對薄膜靜力行為的影響規律。並將該薄膜單元套用於薄膜結構的動力分析領域，研究了上述褶皺影響因素對薄膜動力特性的影響。同時，本項目通過研發薄膜載入裝置，採用試驗的方法研究了預應力、幾何參數、邊界條件等因素對薄膜褶皺形態特徵的影響規律。 研究結果表明：本項目建立的褶皺模型通過褶皺應變能夠精確度量薄膜的褶皺程度；預應力會減小薄膜的褶皺變形，延緩褶皺出現，影響褶皺數量和自振模態，增大自振頻率；泊松比對薄膜的應力分布沒有明顯影響，但在一定程度下能夠減小褶皺變形，並使部分自振模態發生遷變現象；彈性模量會減小褶皺變形，但對應力分布、自振模態和頻率影響很小；厚度能夠減小薄膜的應力梯度和褶皺變形，降低其自振頻率，但對自振模態沒有明顯影響；邊界條件會顯著影響褶皺變形特徵以及自振特性。