实验和理论分析研究ETFE充气管

文摘

ETFE的负荷能力(ethylene-tetra-fluoro-ethylene)充气管测试,和两个起皱的比较研究理论,分岔理论和张力场理论,进行了ETFE充气管的起皱分析。从分岔理论和实验结果揭示起皱的张力场理论的局限性分析。弯曲载荷下充气梁的荷载位移曲线并与实验获得的结果;曲线获得使用分叉理论与实验曲线重合,但使用张力场理论获得的曲线有明显的计算和实验结果之间的偏差。

1。介绍

充气膜结构将广泛应用于未来的太空任务,因为他们是重量轻,容易折叠。但膜元素有微不足道的抗弯刚度;的皱纹很容易出现在生产和包装,折叠,这些膜结构和压缩。皱纹的出现在膜表面的主要原因错误和减少精密空间膜结构的承载能力。这些错误限制他们的技术功能的性能,因此,许多研究对这些结构进行起皱现象。

许多研究人员已经开发出的方法进行的起皱分析膜结构。最早的张力场理论,它假定膜没有弯曲刚度,可以携带没有压应力。从这些假设,起皱的最初平膜被视为平面问题通过特殊的定义。因此,在张力场,只有皱纹皱纹的区域和方向。曼斯菲尔德(1,2)开发的著名的张力场理论,并分析皱膜的荷载传递。小瓦罐(3]研究了放松的能量密度各向同性弹性膜。第一个有限元的解决方案将皱纹理论迭代材料属性模型(IMP)由米勒和Hedgepeth [4和米勒et al。5]。它是基于观察,如果在模拟膜元素被认为是皱巴巴的,几何变形的方向垂直于皱纹的方向,由于平面外变形的材料,可以通过引入一个变量建模元素有效泊松比。通过应用迭代膜性质的方法,阿德勒(6)实现这个模型作为一个用户定义的材料(UMAT)有限元分析的有限元程序的子程序。杨et al。7]提供了一个分析过程的起皱膜结构与方法修改后的本构关系;一个集成的算法,采用牛顿迭代法和拉格朗日公式更新。算法,两种面料屋顶结构进行了分析;结果表明,该方法是可行的和可靠的。

在实际情况下,起皱现象是由于分岔和有强烈受到少量的抗弯刚度;黄等人提出的另一种几何非线性分析方法基于分岔理论起皱现象。分叉理论,详细的起皱行为,如数量和振幅的皱纹,可以获得,而在张力场理论不能获得这类信息。获利和Shindo8)是第一个利用一个三维壳皱膜的描述,研究残余皱纹的薄金属板拉对角线。黄和培9- - - - - -11]给出了详细的实验研究的进化和形状可逆的皱纹。他提出了一个通用分析模型来确定薄膜和烫平的位置和模式以评估其波长和振幅。在此基础上,膜结构的几何非线性有限元模型被用来模拟皱纹的出现和增长。Jarasjarungkiat et al。12]皱纹模型的系统验证了基于材料改性的方法通过起皱和可塑性之间的类比。各向同性和正交各向异性材料进行了研究。Jarasjarungkiat et al。13)采用投影法从非弹性模型考虑薄膜起皱,和起皱变形组件被撤的总压力。王等人。14)提出了一种新颖的壳膜概念定义起皱分析对象,分析介绍了薄板模型基于分岔理论来预测起皱的波长和振幅,数值模拟结合非线性postwrinkling用来模拟详细分析非线性起皱行为,与数值模拟的结果显示良好的协议分析预测。谭et al。15]给出的定义无量纲抗弯刚度因素,抗弯刚度因子和起皱因子的关系,和抗弯刚度系数与起皱的因素简化为不同的线性函数。起皱的抗弯刚度包括表达因素是代替偏微分方程,然后斜率和充气梁的挠度方程推导出积分偏微分方程。阮et al。16]分析了充气梁的线性特征和非线性屈曲分析的正交的技术纺织品。非线性有限元的解决方案进行了探讨,通过使用简单的牛顿迭代跟踪的自适应加载步进梁的载荷挠度响应。评估的影响几何非线性和充气梁的通货膨胀压力稳定行为,一个简支梁进行了研究。梁高宽比的影响对屈曲载荷系数也指出。肖(17)建立了一个数值过程膜起皱分析和用它来分析一个正方形平面电影reflect-array纯剪切力下,评估其诱发皱纹特征。

本文使用工程起皱进行比较研究,分析弹性梁理论,张力场理论,和分岔理论进行,起皱的ETFE充气膜管了,而且,与此同时,ETFE充气管的实验进行验证数值分析结果。

2。实验的充气管的负荷能力

全面ETFE充气梁捏造和三点弯曲测量下的变形量;试验装置和计量点的布局如图所示1。悬臂管固定在T形钢框架模型的尺寸长度2533毫米和426毫米直径和厚度的膜是250μm。测试ETFE充气管弯曲载荷下的模型图所示2,皱纹皱纹的充气管区域图所示3。

实验三个点的载荷挠度曲线3 kPa的内部压力值,4 kPa, 5 kPa数据所示4(一),4 (b),4 (c),分别。从图4当内部压力是3 Kpa 4 Kpa,和5 Kpa,充气管的临界荷载承载力为51.9 N, 72.5 N,分别和90.2 N。

3所示。充气管的理论负荷能力

工程弹性梁理论经常被用于充气结构的初步设计。基于工程弹性梁理论,假设内部压力维持部分配置,平衡力矩的旋转轴的部分仍然是通过的中心部分,薄膜是零的压力沿皱皱地区方向,然后皱角和负载之间的关系是通过力和弯矩平衡方程的部分。充气悬臂管的分析模型如图5,这是与传统Euler-Bernoulli梁理论类似,但它引入了膜起皱的影响。

薄壁管,纵向应力和环向应力可以表示为(18,19] 在哪里是充气管的环向应力,是充气管的纵向应力。

如图5皱巴巴的地区,转动惯量的梁如下(20.]: 在这里,内部的压力,横截面半径,膜的厚度。

皱纹地区的时刻和起皱角之间的关系可以表示在以下表格20.]:

基于膜理论,失败发生在周围的皱纹传播完全周长;从(3)、故障时刻表示为(21]

然后,表示为关键的力量 在哪里之间的距离是固定的支持和加载带。

根据(4),临界承载力可以很容易地获得,结果如表所示1,错误的实验数据和结果之间工程弹性梁也表所示1。

从表1从获得的理论临界承载力(4)都低于实验结果;它们之间的误差大约是5%到7%。

4所示。分析方法:张力场理论

4.1。起皱的标准

一般来说,有三种标准预测膜起皱的发生,主应力判据,主应变准则,主要应力-应变准则。张力场理论对本文是基于主要的应力-应变准则,可以被描述为 在哪里第二主应力和吗是第一主应变。

如果一些膜元素松弛或皱纹,压力和本构矩阵应当按照下列程序进行修改。

4.2。起皱分析过程

主应力向量可以表示为刚度矩阵的乘积和应变向量。第一个有限元的解决方案将皱纹理论迭代材料属性模型(IMP)由米勒。它是基于观察,如果一个膜元素被认为是皱巴巴的,几何变形的方向垂直于皱纹的方向,由于平面外变形的材料,可以通过引入一个变量建模元素有效泊松比。

当,使用“紧”模量矩阵,基于平面应力和由胡克定律

当和,使用“皱纹”模量矩阵 在哪里,。

当和,使用“松弛”模量矩阵

4.3。分析模型

图6显示了分析模型用于IMP模型;分析模型有相同的维度的测试模型,如图1;一样的测试模型,三分也选择记录荷载位移曲线;三个点的位置和网格分析模型也显示在图6。根据双轴测试ETFE膜(22,23),组件的属性如表所示2。

4.4。数值模拟和结果

执行的张力场理论分析在这项研究中使用程序ABAQUS膜元素。然而,由于有限元分析不包括起皱分析能力,作者实现了IMP方法由米勒et al。4,5)迭代修改元素刚度矩阵,以适应结构皱纹效果使用基于组合应力-应变的皱纹标准。

仿真是由内部压力值3 KPa, 4 KPa,和5 KPa;力之间的关系应用于充气管和挠度计算的内部压力值3 KPa, 4 KPa,和5 KPa;结果如图所示7。表3列出了比较重要的承载能力的内部压力值3 KPa, 4 KPa, 5 KPa之间从IMP模型实验和结果。

从表3充气管的临界承载力内部压力值3 KPa, 4 KPa,和5 KPa采用张力场法都是低于实验结果;它们之间的误差大约是10%到14%。

5。非线性后屈曲分析

膜的弯曲刚度,虽然小,但在决定中扮演着重要角色的形状和幅度的皱纹。非线性屈曲有限元分析将薄壳模型用于模拟膜结构的详细的皱纹。第一种方法的关键区别,另一个是额外的负担初始特征值和特征向量的提取。有限元分析提供了几种壳元素;S4R5和S9R5都是薄壳元素三个平面翻译和两个平面旋转组件。他们使用了集成与沙漏控制以避免剪切锁定。元素可以薄壳模型相当准确和S4R5摘要被选中,因为它在计算上更经济。

5.1。初始缺陷

初始缺陷种植在充气梁可以弯曲分析更为顺利。一个特征值屈曲分析是用来获取可能起皱膜的方式接受它的实际边界条件和加载。一组固有模式选择;介绍了几何缺陷形式的平面外变形的膜,使用指令 在哪里是th固有模式,是一个比例因子,它的大小是选择膜的厚度的比例。在这篇文章中,10%,25%,和100%的厚度已经使用,预测反应的敏感性不同已确定;结果如表所示4。注意,载重能力缺陷的大小发生变化时保持不变。

因此得出结论,充气管缺陷的大小并不敏感。决定使用一个缺陷组成的第十固有模式相应的特征值,每个乘以一个比例因子。

5.2。对网格密度的敏感性

初始网格,如图6预测,数量小的皱纹比观察实验;纵向网格长宽比(纵向网格宽度/膜厚度)的初始网格是40。因此,两个额外的网格大小被用来调查网格密度的影响最终的负荷能力。两个新模型的纵向网格宽度皱巴巴的地区是一半,四分之一的纵向网格宽度的初始网格,分别和网格宽度箍方向保持不变。纵向网纵横比的两个新模型是20和10个,分别。三个模型的网格和皱纹都显示在图8。两个密度网格预测相同数量的皱纹在图所示的实验3。表5显示的密度网格预测相同的负荷能力,这表明后的解决方案就会变得mesh-independent特定级别的优化。因此,网格数量的四倍的初始网格,如图8 (c),被选中。讨论的结果,从现在起都是基于这个模型。

5.3。数值稳定

几何非线性增量分析下进行位移增量使用牛顿迭代解法。皱膜的平衡路径包括许多不稳定的分支,每一个对应于局部拉入额外的皱纹的形成。

一个非常有效的方法解决数值不稳定奇点是切换从一个准静态模拟瞬时动态分析。为了计算首先静态平衡状态拍摄发生后,人会模拟实际结构的动力响应快照。这个想法一直在使用稳定有限元分析功能实现。所以,postwrinkling分析步骤的稳定功能被激活。损耗的能量通过假设规定比例的应变能在第一步,默认的虚构的粘滞力的基础上计算模型的响应的增量分析的第一步。在有限元分析这一部分叫做阻尼因子;达到良好的精度,通常需要设置稳定阻尼因子分析可以收敛。最小的稳定阻尼因子用于充气管模拟在这篇文章中。

5.4。数值模拟和结果

定义有限元网格后,类型的元素,和材料属性,起皱分析通常采用薄壳元素可以执行。数值模拟是由空气压力值3000,4000,和5000 pa;ETFE充气梁的载荷挠度行为采用壳模型如图9。

模式跳跃,跳跃的顺序很明显的载荷挠度曲线所示,见图9。突然从一个皱纹形状过渡到另一个观察实验(9]。每个皱纹的数量变化都是一个模式的后屈曲响应膜。模式跳跃已经解释的交互的一组分岔点的树枝相邻的临界载荷。但是在我们的实验中,模式跳跃没有抓住并没有观察到的载荷挠度曲线如图4。

表6列表的比较最大支承力的内部压力值3 KPa, 4 KPa,和5之间KPa从壳模型实验和结果,还列出了对应于第一个跳点的力的内部压力值3 KPa, 4 KPa,和5 KPa;它们之间的误差和实验结果如表所示6。

从表6,最大的力量从壳模型获得约4%至8%大于实验关键负载。相对应的部队第一个跳点更接近实验临界负载从壳模型的最大力量。所以,本文提出了相对应的力第一个跳点被认为是使用非线性后屈曲时关键轴承力的方法。错误的关键轴承力实验和壳模型之间的约2%至3%。

6。讨论和结论

皱纹的有限元仿真充气管与商业有限元软件包进行了有限元分析,和两个代表理论的比较研究,分岔理论和张力场理论,。缺陷和网格密度的影响在充气管的起皱行为调查。这一研究获得的结论概括如下。

关键轴承力从工程获得弹性梁理论是略低于实验充气管的临界载荷,但工程提供的载荷挠度关系不能弹性梁理论。所以,工程弹性梁理论常被用来评估初步设计的充气管的临界载荷。

充气管的最大支承力使用张力场理论是大约13%低于实验结果,因为张力场理论被认为是板理论应用于皱纹时分析;相对抗弯刚度的影响中存储的应变能皱膜将被忽略。皱纹地区有一些抗压应力出现的皱纹,因为波充气管几何条件制约。一般来说,张力场理论不正确地应用于这些地区。因此,传统的张力场理论的局限性是定量澄清。

从几何非线性分析获得的最大承载力略大于实验充气管的临界载荷,但力对应于第一个跳点的同时,从实验结果。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

引用

1. e·h·曼斯菲尔德“张力场理论”12日的国际应用力学大会,页305 - 320,斯坦福大学,斯坦福大学,加州,美国,1969年。视图:谷歌学术搜索
2. e·h·曼斯菲尔德“荷载传递通过皱膜”英国皇家学会的,卷316,不。1525年,第289 - 269页,1970年。视图:谷歌学术搜索
3. a·c·小瓦罐”,轻松的能量密度各向同性弹性膜,”IMA应用数学杂志》上,36卷,不。1,第99 - 85页,1986。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. r·k·米勒和j . m . Hedgepeth”有限元分析的算法部分皱膜”张仁杂志,20卷,不。12日,第1763 - 1761页,1982年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. r·k·米勒,j . m . Hedgepeth温嘉顿v . i, p . Das和s . Kahyai”有限元分析部分皱膜”,计算机与结构,20卷,不。1 - 3、631 - 639年,1985页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. a·l·阿德勒元素的方法部分皱膜结构的静态和动态分析[博士。论文)美国科罗拉多大学博尔德科罗拉多州,2000。
7. 问:美国杨、f . Tan和x f . Wang”加载和起皱分析膜结构”,中国科学技术科学,54卷,不。10日,2597 - 2604年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. y获利和a . Shindo”出现的皱纹和增长瘦广场板块受到对角张力,“国际机械科学杂志》上,30卷,不。12日,第931 - 921页,1988年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. y . w . Wong和s . Pellegrino”我皱膜部分:实验中,“《材料力学和结构,1卷,不。1,1,2006页。视图:谷歌学术搜索
10. y . w . Wong和美国Pellegrino皱膜第二部分:分析模型”,《材料力学和结构,1卷,不。1日至59,2006页。视图:谷歌学术搜索
11. y . w . Wong和美国Pellegrino皱膜三世:数值模拟”,《材料力学和结构,1卷,不。1,第95 - 63页,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. a . Jarasjarungkiat r . Wuchner, K.-U。Bletzinger”,基于材料皱纹模型修改为各向同性和正交的膜,“计算机在应用力学和工程方法,卷197,不。6 - 8,773 - 788年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
13. a . Jarasjarungkiat r . Wuchner, K.-U。Bletzinger”,高效的亚格子尺度建模膜起皱的投影方法,”计算机在应用力学和工程方法,卷198,不。9 - 12,1097 - 1116年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. x w·h·f·c·g . Wang Tan杜,和z . m . Wan”下的矩形壳膜起皱预测横向平面位移,”国际期刊的固体和结构,44卷,不。20日,第6516 - 6507页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. H.-F。棕褐色,Z.-Y。杜,C.-G。王”,充气梁的挠度预测,”哈尔滨理工学院杂志》上,20卷,不。1,8 - 11,2013页。视图:谷歌学术搜索
16. T.-T。Nguyen Ronel博士,m . Massenzio e . Jacquelin k . l . Apedo和h . Phan-Dinh”数值充气梁的屈曲分析的正交的技术纺织品,”薄壁结构卷,72年,第75 - 61页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 裴伟伟。肖,W.-J。陈,G.-Y。傅,”皱纹的分析空间平面电影reflect-array。”浙江大学学报:自然科学,12卷,不。1页/ 2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. 得票率最高和k . s . Woinowsky板壳理论美国麦格劳-希尔,纽约,纽约,1959年。
19. 周宏儒。高,W.-J。陈,G.-Y。傅,”结构设计概念和分析大型结构系统的灵活的飞艇,”上海交通大学学报(自然科学),15卷,不。6,756 - 761年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. r·l·卡莫和s .征收“充气圆柱悬臂梁的变形量,”张仁杂志,1卷,不。7,1652 - 1655年,1963页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. m·斯坦和j . m . Hedgepeth”分析部分皱膜,”NASA技术注释d - 813, 1961。视图:谷歌学术搜索
22. b .赵实验研究材料特性和双层缓冲结构的膜箔[博士。论文)、上海交通大学、上海,中国,2012年,(中国)。
23. w·j·陈,l·张,d . x张”的研究和开发bi-axial拉力试验机和信封面料的力学性能实验,”纺织复合材料国际会议和充气结构(结构膜的11)西班牙,巴塞罗那,2011年。视图:谷歌学术搜索

版权

版权©2014年延利提供他和吴俊陈。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。