ETFE薄膜雙層氣枕結構計算分析及試驗研究.pdf

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

2、條件，根據多元函數泰勒展開公式推導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部氣壓及膨脹體積情況下的找形分析程序。作為數值算例，對球面及圓柱面充氣膜結構進行了找形計算，得到的數值結果與由球面及圓柱面的矢高、內壓、初始張力相互關系得到的理論解進行比較。結果表明，數值計算結果與理論解一致，本文提出的分析方法可有效的用于充氣膜結構的找形分析。

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行對比分析。在找形分析時，將矢高、內壓和初始張力作為控制參數進行計算并依次給出了三者之間的相互關系。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、內壓的變動以及膜面的主應力。數值計算結果表明，形狀與圓形相差較大的雙層氣枕其力學性能變化明顯。在氣枕的

4、體積和內壓變化不大時，可直接根據氣枕上層膜面的主應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方向裁取的試樣進行了單向拉伸試驗，得到了相應的應力．應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折點的方法，由此得到對應于轉折點的屈服應力和應變。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、度數字照相方法測定了ETFE薄膜的泊松比。試驗結果表明，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薄膜氣枕的結構特性，本文設計制作了兩個不同矢跨比的ETFE薄膜氣枕模型，進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模型進行了數值分析，并將找形分析和應力分析結果與