基于平面裁切和材料非線性的ETFE氣枕充氣成形試驗與模擬研究.pdf

1、乙烯-四氟乙烯（Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene，ETFE）氣枕結(jié)構(gòu)于1982年誕生于荷蘭，自2008年進入我國，是國內(nèi)外近幾年新型膜結(jié)構(gòu)發(fā)展的亮點和產(chǎn)業(yè)增長點。ETFE氣枕有分別基于三維裁切和基于平面裁切的成形設計方法，基于找形三維形狀的裁切成形方法是典型膜結(jié)構(gòu)設計方法，而充分利用ETFE非線性特性而基于平面裁切的設計成形方法是一種新的設計方法，尚是國內(nèi)外學術(shù)和工程界重點研究問題。因此，本文開展ETFE薄膜

2、的深入試驗和力學模型研究，以及ETFE氣枕結(jié)構(gòu)成形試驗和數(shù)值模擬研究，主要內(nèi)容包括：
　　首先，對ETFE薄膜進行大應變率范圍（0.1～1000%/min）單向拉伸試驗，得到了應力-應變曲線，提出了確定等效彈性模量的能量法，充分揭示了ETFE薄膜率相關(guān)力學行為?；诟叻肿硬牧橡?塑性理論的廣義Maxwell模型，推導ETFE薄膜單向拉伸的應力-應變本構(gòu)模型，根據(jù)試驗結(jié)果表征模型參數(shù)，建立模型參數(shù)與應變率函數(shù)關(guān)系，提出了以應變率為

3、變量的連續(xù)率相關(guān)本構(gòu)模型。三元素和五元素廣義Maxwell模型可有效模擬反映ETFE薄膜在第二屈服點前和30%應變前的單軸拉伸力學行為。
　　對 ETFE薄膜進行單軸拉伸加載-徐變-卸載-徐變恢復試驗，徐變加載應力分為10組（2、4、6、8、10、12、14、16、18、20MPa）、徐變加載時間分為8組（0.5、1、2、3、6、12、18、24h），得到不同工況下的應變-時間曲線，通過分析最大應變和殘余應變隨加載應力和時間的變化

4、規(guī)律，揭示了ETFE力學行為非線性和時變特征?；趶V義Kelvin-Voigt模型，通過定義徐變過程中可恢復的黏彈性應變和殘余的黏塑性應變，建立了加載徐變-卸載恢復的基本時變模型。根據(jù)試驗結(jié)果，先確定了黏塑性應變的時變方程形式及模型參數(shù)，表征加載時間為24h時黏彈性應變模型參數(shù)；然后，通過引入任意加載時間（0.5～24h）與24h的黏彈性應變比值，提出了以加載時間為變量（0.5～24h）的連續(xù)時變模型；最后通過建立模型參數(shù)與加載應力的函

5、數(shù)關(guān)系，提出了應力-時間相關(guān)連續(xù)時變模型。
　　對 ETFE薄膜進行時間為30天、不同應力（2、4、6、8、10、12、14、16、18、20MPa）下的單軸拉伸徐變試驗，得到了相應的徐變曲線，揭示了ETFE薄膜的徐變力學行為特征?；谛拚膹V義Kelvin-Voigt模型，推導了徐變模型，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行了模型參數(shù)識別，并根據(jù)模型參數(shù)與加載應力的函數(shù)關(guān)系進一步建立了以應力為變量的連續(xù)應力相關(guān)徐變模型。
　　然后，針對ETF

6、E氣枕研究，提出高內(nèi)壓、小擾動的高精度內(nèi)壓控制方法和非接觸、動態(tài)實時的三維外形測量方法，研制了壓力控制系統(tǒng)和攝影測量系統(tǒng)，提出了測量與解析相結(jié)合的充氣膜結(jié)構(gòu)膜面應力和應變分布確定方法：應力計算基于測量外形下內(nèi)壓與薄膜內(nèi)力的平衡，應變計算基于測量點在變形前、后三維坐標的變化。對正方形 ETFE氣枕進行測量與分析，證明了所提出方法的適用性和精確性。
　　對基于平面裁切的兩個正三角形ETFE氣枕進行充氣成形試驗，經(jīng)歷充氣加壓、穩(wěn)壓徐變、

7、放氣泄壓和徐變恢復四個階段。應用本文所提出的測量分析方法，得到氣枕的內(nèi)壓、膜面外形、應力和應變分布，對不同徐變應力和時間的氣枕成形過程進行了對比分析，揭示了ETFE氣枕與應力相關(guān)的時變特性?？紤]以應變率為變量的連續(xù)率相關(guān)本構(gòu)模型和以應力為變量的連續(xù)應力相關(guān)時變模型，編制了 UMAT用戶材料子程序，利用ABAQUS對與ETFE氣枕成形全過程進行數(shù)值模擬，通過對比模擬與試驗結(jié)果的膜面矢高、外形、應力和應變分布，驗證了數(shù)值模擬方法的適用性和精