直角梯形ETFE气枕塑性成形试验与数值分析研究

乙烯 四氟乙烯共聚物(ETFE)薄膜材料具有良好的塑性性能,利用这一性能,ETFE气枕可以进行基于平面裁剪的塑性成形.制作了两个直角梯形ETFE气枕模型,设计了气枕充气泄气压力控制系统,对两个气枕分别进行充气成形试验和循环充气加载试验,利用激光位移计对膜面位置进行测量.试验结果表明,经过2kPa内压的塑性成形,得到的两个气枕的矢跨比分别为1/9.4和1/10.3,成形过程使ETFE薄膜材料发生强化.采用多折线各向同性强化的弹塑性材料模型模拟ETFE薄膜,通过ANSYS软件进行了气枕成形以及循环加载的数值分析,并对数值分析结果与试验结果进行了对比分析.     

基于平面裁切的三角形乙烯-四氟乙烯气枕成形试验及数值模拟

基于平面裁切的设计方法,制作了边长为2.5m的正三角形乙烯-四氟乙烯(ETFE)气枕模型,结合自动压力控制、三维摄影测量、激光测量等技术对ETFE气枕进行充气成形试验和测量分析.ETFE气枕经历了0~2kPa的充气加压,压力为2kPa、时间为24h的黏弹性徐变,放气至0kPa、时间为24h的徐变恢复等一体化流程.得到了各状态下的气枕内压值、上膜面整体形态和下膜面矢高值,并基于膜面形态计算出应力分布.通过与充气加压过程的几何非线性有限元分析结果进行比较分析,揭示了ETFE薄膜经历弹性变形、黏弹性徐变、徐变恢复等过程时的深刻力学性能与行为.试验结果验证了基于平面裁切的成形设计方法的可行性,对ETFE气枕结构的推广和应用具有较高价值.     

乙烯-四氟乙烯薄膜循环拉伸的黏弹塑性本构模型

对250μm厚乙烯-四氟乙烯(Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene,ETFE)薄膜进行了单轴循环拉伸试验,通过试验得出ETFE薄膜的应力应变曲线,基于宏观现象和各向同性材料小应变假设,推导了适用于ETFE薄膜单轴循环拉伸第1次加载和卸载的本构方程,编写了采用两步法确定本构方程中参数的程序,利用程序模拟了ETFE薄膜在循环拉伸状态下第1次加载和卸载的应力应变关系.通过与试验得到的应力应变关系对比分析,验证了该本构方程和程序的正确性.提出的ETFE薄膜的本构方程可以较为准确地预测ETFE材料的应力应变关系,为ETFE薄膜结构的分析和计算提供参考.     

PV-ETFE气枕结构温度实测研究

为了研究柔性非晶硅薄膜光伏电池-乙烯四氟乙烯共聚物(简称PV-ETFE)气枕结构的温度特征,设计了由三层ETFE气枕与集成于其中层膜上表面PV组成的气枕1及由双层ETFE气枕与集成于其上层膜上表面PV组成的气枕2,实测了两种气枕的PV和ETFE薄膜的夏季温度数据.通过分析得到:两种气枕的PV和ETFE薄膜温度差分别为35.4℃和26.2℃;气枕1和气枕2ETFE薄膜受气枕内空气温度和气枕外空气流动影响明显;PV温度受阴影及太阳光入射角影响.     

乙烯-四氟乙烯薄膜徐变特性的试验分析

对12组250μm厚的乙烯-四氟乙烯(ETFE)薄膜在40~80℃时进行了不同温度和应力下的徐变试验.对试验数据进行对数拟合,分析了拟合参数随试验条件的变化规律,得出考虑加载应力和温度的函数关系式,用以描述ETFE薄膜在不同温度和应力下的徐变性能.该函数关系式对后续分析ETFE薄膜力学性能和长期荷载作用下的结构性能有重要作用.试验和分析结果表明,ETFE薄膜的徐变量随加载应力的增大和温度的升高而明显增大,且呈非线性关系;温度小于40℃且应力小于6MPa时,材料的徐变量较小且增加缓慢;40℃以上或较高应力状态下,徐变显著.     

乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜单向拉伸性能及黏塑性本构模型

对厚度为250μm的长条形ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)薄膜试样进行了8种定速(拉伸速度由极慢的1mm/min到极快的500mm/min)单向拉伸试验,得到了相应的应力应变曲线、屈服强度、弹性模量等参数随拉伸速率的变化规律.结果表明:ETFE薄膜的屈服强度和屈服应变随拉伸速率的增加而增加;ETFE薄膜的切线、割线弹性模量,以及基于应变能和应变余能的等效弹性模量随拉伸速率的增加而增大,3种弹性模量之间的差值也随拉伸速率的增加而增大.对上述应力应变曲线进行分析,提出了ETFE膜材的黏塑性本构模型(Peirce模型),并在有限元分析软件ANSYS中进行了数值模拟,其结果与试验得出的应力应变曲线吻合较好.     

引入内结构张量的非比例循环塑性本构模型

考虑非比例加载情况下金属材料塑性循环强化特性的本构描述,为反映由于非比例加载而引起材料的附加等向强化及异向强化效应,提出在Valanis的塑性内时响应方程中引入与加载路径几何性质有关的内结构张量,建立了新的非比例循环塑性本构模型.其中,材料强化程度采用沿路径法线方向的塑性应变分量描述.用所建模型对304不锈钢材料在一些典型非比例循环加载路径下的响应进行了理论预测,并与相关文献中的实验结果进行了比较,结果令人满意.     

热疲劳过程力学行为的数值模拟

采用运动强化模型和热弹塑性理论对轴对称问题的热疲劳过程进行了有限元数值模拟。计算中，采用增量理论模拟热疲劳的循环加载过程，采用初应力法对每一增量步下进入塑性单元的应力应变进行迭代计算，同时考虑了温度对材料性能、蠕变及应变速率的影响。还对４５号中碳钢圆柱形试件进行了同相和异相热疲劳试验。试验与计算表明：利用本文的数值模拟程序计算得出的滞后环与试验结果相吻合。     

ETFE双层气枕计算分析及比较

基于U.L.格式的非线性有限单元法,编制了ETFE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、正三角形、菱形及正方形5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6种给定的荷载工况,计算了ETFE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.     

轴承试验机液压缸薄膜材料对加载误差的影响

为了研究不同薄膜材料对轴承试验机液压加载系统液压缸加载误差的影响,提高液压加载系统的加载精度以及轴承试验机试验结果的可信度,采用有限元数值模拟实验与轴承试验机加载试验相结合的方法,对比分析使用3种薄膜材料的液压缸的加载误差比变化。研究发现薄膜材料的性能对液压缸加载误差影响明显,选用的3种试验材料中氟橡胶性能表现最好,对加载精度影响最小,丁晴橡胶表现次之,聚四氟乙烯性能对加载精度影响最大。试验结果表明:薄膜材料存在一定的边缘效应使得液压缸加载时薄膜不能很好的贴合活塞端面,这是液压缸加载误差的一个重要来源。为了克服上述问题提高液压缸的加载精度,提出并且验证了一种降低加载误差的方法,即通过调整液压缸装配时活塞端面预置位置,来减弱薄膜边缘效应对加载精度的影响。此外研究还发现随着试验加载载荷的增大,薄膜的弹性阻力、活塞与液压缸壁之间的摩擦力等因素对加载精度的影响会相对减小。