ETFE薄膜气枕模型试验研究

设计制作了2个不同矢跨比的ETFE薄膜气枕模型,进行了气枕形状测试、加压以及铺砂加压试验,得到了气枕形状坐标以及膜面随气压的变形量。对ETFE薄膜进行单向拉伸试验,测得材料的屈服强度、切线弹性模量和割线弹性模量。利用几何非线性有限元进行了数值分析,将数值结果与试验值进行了比较分析。结果表明:ETFE薄膜可按各向同性材料分析,数值计算结果与试验值吻合较好;在同样内压作用下,气枕矢高较高时膜面位移与膜面应力较小;ETFE薄膜采用割线弹性模量计算得到的膜面位移与试验值比较吻合,采用切线弹性模量计算得到的变形小于试验值。     

ETFE气枕与ETFE薄膜性能高温环境试验研究

根据中东阿布扎比高温、温差大的环境特点,设计了ETFE气枕性能高温环境试验系统,主要包括密封环境模拟室,776mm×776mm气枕模型,环境加热与ETFE气枕压力计算机自动控制系统,温度、位移数据采集系统.研制出试验系统,进行了40℃～80℃温度变化、6个周期18小时下气枕性能测试,然后利用气枕膜片制备试件,进行了ETFE薄膜厚度测试、ETFE薄膜和缝合节点拉伸试验.得到了相应的膜面矢高位移、试件破坏形态、应力应变曲线、极限强度和破断延伸率,对工程设计具有指导参考价值.     

三角形ETFE双层气枕足尺试验研究

对边长为3.74m的三角形ETFE双层气枕进行充气和膜面堆载试验,利用激光位移计对上下层8个测点的膜面高度进行实时测量,并与数值模拟结果对比分析.研究了三角形ETFE双层气枕的成形过程及风、雪荷载作用下的力学性能,验证了基于单轴拉伸试验所得材料力学参数的正确性和利用非线性有限单元法进行ETFE气枕分析的适用性.研究表明:(1)内压或外荷载作用下,三角形ETFE气枕膜面变形对称性较好,膜面高度随着内压、外荷载的增大呈线性增加或减小规律;(2)在风、雪荷载作用下,三角形ETFE气枕内接圆区域膜面应力较大且分布均匀,角部是低应力区,容易形成垂直于对角线的褶皱;(3)在风、雪荷载作用下,膜面应力小于ETFE第一屈服强度,气枕处于线弹性工作状态,三角形ETFE气枕具有较好的抵抗外部荷载作用的能力.     

ETFE气枕平面充气成形过程的非线性结构性能分析

对基于平面裁切的乙烯-四氟乙烯（ethylene-tetrafluoroethylene,ETFE）气枕进行充气成形试验,利用激光位移计测量气枕矢高,基于三维摄影测量得到的形状,分析了气枕膜面应力分布。采用Peirce模型模拟ETFE膜材的材料力学非线性并进行相同充气过程的数值模拟,对比分析数值模拟与实测的气枕矢高和应力分布。结果表明：Peirce模型仅在反映ETFE两个屈服点之间的应力-应变关系上有所偏差;气枕充气完成后矢高约为172mm,气枕膜面应力最大值集中于气枕中心与各边中点的连线区域;不同内压下的气枕矢高,膜面应力、应变的数值模拟结果与实测结果相对误差均在10%以内。此外,Peirce 模型数值模拟结果表明,内压为2kPa时气枕膜面出现塑性应变;膜面总应变与塑性应变最大值集中于气枕中心与各边中点连线区域。     

双轴拉伸下ETFE薄膜材料力学性能

对两种厚度的ETFE（乙烯四氟乙烯共聚物）薄膜进行了5组应力比的双轴拉伸试验,得到其应力应变曲线.计算了ETFE薄膜的折算应力,检验了Mises屈服准则的适用性,得到了双轴拉伸情况下的弹性模量及泊松比,并与单轴拉伸数据进行了对比分析.结果表明：ETFE薄膜双向受力时符合Mises屈服准则;双轴弹性模量及泊松比与单轴数据接近.     

拉伸速度对ETFE薄膜力学性能的影响

对厚度为250 μm的长条形ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)薄膜试样进行了6种定速(应变速率分别为10%/min,25%/min,50%/min,100%/min,200%/min,500%/ min)单向拉伸试验,得到了相应的抗拉强度、断裂延伸率、屈服应力以及弹性模量等力学参数的变化规律.结果表明:ETFE薄膜的抗拉强度随拉伸速度的增加略有增加,而断裂延伸率随拉伸速度的增加略有减小;ETFE薄膜的屈服强度随拉伸速度的增加而有所增加,但第二屈服强度增加不大;ETFE薄膜的屈服应变随拉伸速度的增加略有增加,第二屈服应变则略有减少;ETFE薄膜的切线弹性模量以及第二弹性模量随拉伸速度的增加呈下降趋势,割线弹性模量和第三弹性模量则没有明显的变化.通过分析,给出了以应变速率对数为变量的线性拟合公式,可用于计算在不同应变速率下ETFE薄膜的相关力学参数.     

圆形ETFE气枕粘塑性成形过程分析

设计制作了圆形ETFE气枕模型,进行气枕粘塑性成形试验,得到气枕膜面高度与内压的实时变化曲线。基于Perzyna的粘塑性本构方程,对ETFE薄膜进行单向拉伸试验,得到材料拉伸曲线及屈服强度,通过MATLAB拟合得到Perzyna本构方程参数,利用有限元软件进行了数值分析,并与试验结果进行比较。结果表明:ETFE气枕粘塑性成形过程试验结果与数值分析结果吻合良好,运用Perzyna粘塑性本构方程以及非线性材料模型可以准确、有效地完成ETFE粘塑性成形过程分析。     

ETFE薄膜材料参数设计值研究

乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)薄膜结构设计方法与设计参数研究相对滞后,国内外均未正式发布相关设计规范。分别对厚度为80、100、200、250、300μm的ETFE薄膜共计307个试样进行单轴拉伸试验,得到第一屈服点、第二屈服点及抗拉极限点的应力、应变以及各弹性模量的统计值。根据ETFE薄膜的材性及其结构受力特性,确定了单层张拉式和气枕式结构的ETFE薄膜强度标准值,得到了ETFE薄膜的材性不定性统计参数和几何不定性统计参数。根据结构抗力不定性及荷载不定性统计参数,计算并确定了ETFE薄膜单层张拉式以及气枕式结构在风荷载、雪荷载组合时的材料抗力分项系数与强度设计值的建议值。给出了ETFE薄膜弹性模量和泊松比建议值。     

气枕式ETFE膜结构的找形分析

对气枕式ETFE膜结构的找形分析进行了研究.由薄膜理论导得膜结构的微分方程,并采用弹性力学的扭转分析法进行求解.文中给出了矩形、等边六边形、椭圆形、圆形、等边三角形、完整扇形及任意扇形等ETFE气枕的找形计算公式,这些公式对气枕式ETFE膜结构的设计具有一定参考价值.此外,对ETFE气枕的边缘构件进行了分析,并给出了设计建议.     

ETFE气枕模型试验与有限元分析

通过2 m×2 m的ETFE气枕模型试验,进行了气枕形状测试、充气加压测试和气压一定的加载测试。通过在上下膜面画上一组刻线,测量膜面在充气过程中刻线长度的变化,进而求得膜面应力的变化。基于膜面应力和气枕矢高的试验测试值与几何非线性有限元分析结果比较,验证了ETFE气枕有限元模拟方法的正确性。研究表明：由于ETFE气枕充气过程中膜材伸展率较大,膜面粘贴应变传感器很难捕捉准确的膜面应力,采用膜面画刻线的方法可以用于测试ETFE充气结构的膜面应力;立体裁剪的ETFE气枕,充气成形过程中,膜面基本展开时零应力状态下,膜面角部区域已张紧,具有初始应力,因此,角部区域膜面应力测试时需给予初应力补偿;ETFE膜材热熔焊缝相当于膜材局部加强,顺焊缝及垂直焊缝的实测应力小于按均匀材料计算的应力,但对整体充气膜面应力的影响很小;膜面应力和气枕矢高的试验测试值与有限元分析值基本吻合。