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。     

ETFE气枕式膜结构

随着ETFE(Ethylene Tetra Fluro Ethylene)膜材的成功研发,凭借其轻质、透光、隔热、抗腐、耐候、自洁等良好的性能而被广泛应用,大量的学者也对其开展研究。ETFE膜材为非织物类膜材,相比织物类膜材其单张膜的抗拉强度较低,常采用气枕的形式多张共同受力,并通过内压使其具有合适的刚度,由此产生的气枕式膜结构具有较好的力学性能和使用性能,逐渐得到广泛的发展并具有良好的前景。提炼出了ETFE气枕式膜结构相比于其它膜结构独有的可调节特性,在服役过程中通过内压改变对受力性能、透光率、隔热性能等的自动调节能力,并对ETFE气枕式膜结构的发展、性能、设计方法与施工技术进行研究与归纳,总结了国内外学者对ETFE气枕式膜结构的研究现状,对工程实践具有一定的指导意义。     

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。     

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气枕力学性能分析及其蒙皮效应研究

利用ANSYS软件对ETFE气枕结构进行找形分析,考虑预应力和内压两个控制因素,给出了三角形、四边形和六边形气枕的找形结果,并推导了四边形和圆形气枕找形的解析式。编制了计算气枕体积的MATLAB程序,并与ANSYS软件联合应用,计算了矩形气枕结构在7种荷载工况下的变形和膜面的应力分布。通过参数分析,得到了膜面应力和矢高、膜厚、矢跨比之间的关系,提出了气枕合理的膜厚、矢跨比,并给出了不同跨度气枕充压建议值,最后对ETFE气枕结构的蒙皮效应进行了研究。研究结果表明：膜面初始预应力宜介于5~8MPa;ETFE膜厚可根据气枕跨度选择单层0.2 mm或双层0.4 mm,矢跨比0.1左右,成形后膜面最大、最小应力分别位于中心区、角点区;ETFE气枕充压的初始内压介于250~1 150 MPa,充压值随跨度增大而减小;初始内压500 Pa常用尺寸（4 m×5 m矩形）的气枕,可抵抗大小与内压相当的正负风压、均布和半跨雪荷载和偶然集中荷载,但在超载工况下,需对气枕充气加压方可继续工作;ETFE气枕具有明显的蒙皮效应。     

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气枕力学性能试验研究及有限元分析

对1个乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)气枕足尺模型进行形态测试、加载测试及自振测试,研究了气枕的静力性能和动力特性.建立了ETFE气枕有限元模型,进行了形态、荷载及模态分析,验证了有限元分析方法的有效性.结果表明:气枕内压对外荷载较为敏感,荷载作用下内压变化幅度随初始内压增加而非线性减小;作用于气枕中部或单侧的荷载较对称荷载会引起更大的变形和内压变化;相同荷载作用下,气枕变形随初始内压增加而非线性减小;在试验内压范围内,测试气枕的基本自振频率位于6 ～ 10 Hz之间,前两阶自振频率间隔较大,2～5阶自振频率分布更为密集,气枕各阶频率均随初始内压升高而非线性增加;在低阶模态中,气枕上、下层膜面呈对称振动;ETFE气枕为低阻尼结构,各阶模态阻尼比随初始内压增加而减小;形态、荷载及模态分析的有限元结果均与试验结果吻合良好,验证了共同作用有限元模型在ETFE气枕静、动力分析中的准确性和适用性.     

气枕式ETFE膜结构的初始形态分析

随着气枕式ETFE膜结构在北京2008奥运会国家游泳中心的大面积使用,这种结构形式在国内受到了越来越多的关注.本文对气枕式ETFE膜结构的初始形态分析进行了研究.首先利用AN SY S通用有限元软件配合APDL语言进行编程,完成了对膜结构初始形态的模拟,并对该方法进行了验证,得到了满意的结果.在此基础上对气枕式ETFE膜结构进行了初始形态分析,并对计算结果进行了讨论,为ETFE气枕式膜结构的设计在理论上作了一些有益的探索.     

ETFE气枕力学性能试验研究及有限元分析

对1个乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）气枕足尺模型进行形态测试、加载测试及自振测试,研究了气枕的静力性能和动力特性。建立了ETFE气枕有限元模型,进行了形态、荷载及模态分析,验证了有限元分析方法的有效性。结果表明：气枕内压对外荷载较为敏感,荷载作用下内压变化幅度随初始内压增加而非线性减小;作用于气枕中部或单侧的荷载较对称荷载会引起更大的变形和内压变化;相同荷载作用下,气枕变形随初始内压增加而非线性减小;在试验内压范围内,测试气枕的基本自振频率位于6～10Hz之间,前两阶自振频率间隔较大,2～5阶自振频率分布更为密集,气枕各阶频率均随初始内压升高而非线性增加;在低阶模态中,气枕上、下层膜面呈对称振动;ETFE气枕为低阻尼结构,各阶模态阻尼比随初始内压增加而减小;形态、荷载及模态分析的有限元结果均与试验结果吻合良好,验证了共同作用有限元模型在ETFE气枕静、动力分析中的准确性和适用性。     

ETFE气枕结构设计--国家游泳中心气枕结构设计简介

应用于2008年北京奥运国家游泳中心工程的ETFE气枕是一种新型的建筑围护结构, 具有材料重量轻、透光性好、美观等优点。本文首先介绍了气枕结构的受力特点, 接着分析了ETFE气枕的找形和各荷载工况下的应力分布和变形, 并对堆积雪荷载、温度、矢跨比及膜厚等参数对结构的影响进行了比较分析, 最后提出了气枕结构的一般设计方法。本文结论对ETFE气枕结构的进一步研究应用具有参考价值。     

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.     

ETFE气枕积水的预防及控制

ETFE薄膜作为一种新型建筑材料,因其良好的光学和机械性能,正得到越来越广泛的使用,而气枕作为ETFE建筑膜材使用的最常见形式,也大量出现于各类建筑物的屋面或立面中。但由于ETFE气枕形态的特殊性——即组成气枕的上、下层ETFE具有一定弧度,在其作为建筑屋面使用时,必须考虑其失效产生积水的可能性。总结了3类预防或控制积水的方法,一是在初期进行建筑选型时,对气枕的角度、弧度进行特殊设计,使其即使失效也不会发生积水;二是对气枕进行特殊的构造设计,在其失效时,可将积水顺利排走;三是对气枕的积水量进行细致分析,使积水量在可控范围内,不会对膜材或气枕下部支撑结构产生危害。     

ETFE薄膜双层气枕结构试验研究

首先对ETFE薄膜进行了单向拉伸试验,由应力-应变曲线计算力学参数:屈服强度、屈服应变、切线弹性模量和割线弹性模量.采用两种环氧树脂1∶1质量比制备胶黏剂,实现应变片与ETFE粘结协同,然后对其标定.研制了由荷载模拟、ETFE气枕、压力控制系统和测量系统组成的试验系统.成功地进行了风压、风吸正常承载力试验和极限承载力试验,应用三维扫描仪实现ETFE气枕形态无接触测量,并与数值分析结果进行了对比.本文成果对ETFE气枕设计具有参考价值.     

可变透光ETFE气枕光热性能研究

本研究基于合肥市气候条件定制了一种可变透光ETFE气枕.通过Grasshopper平台建立了典型办公室模型和光热联合模拟程序.同时,在合肥市搭建了一个等比例缩小的办公室模型,通过实验验证软件模拟结果.全年动态采光和能耗模拟表明:可变透光ETFE气枕可以有效降低临窗区域照度,增加全年有效采光(450＜1ux＜2000)时长,但会导致远离窗的区域采光不足.可变透光ETFE气枕相较于透明双层玻璃窗拥有更低的太阳得热系数,并能适应室外太阳辐射率变化.在合肥地区气候条件下,本研究所选用的可变透光ETFE气枕相较于透明双层玻璃窗可以减低建筑全年16.33％的能耗.     

荷载作用下气枕式ETFE膜结构受力性能分析

对气枕式ETFE膜结构的受力性能进行了研究,分析了均布荷载作用下ETFE膜结构气枕的膜面位移和内力随荷载变化的规律,分别考察了气枕的初始内压、高跨比、薄膜厚度等参数对气枕位移、膜面应力的影响,给出了其参数变化影响规律.此外,对ETFE气枕的边缘构件进行了受力分析,分别给出了初始形态下和受荷状态下边缘构件的受力特点.通过分析,给出了设计建议.     

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.     

基于双轴效应的ETFE薄膜气枕徐变性能数值分析

推导了材料粘弹塑性本构有限元列式及相应的平衡方程,编制了有限元程序,采用三个算例验证了程序的有效性及正确性.进行了考虑双轴效应的ETFE薄膜气枕徐变性能数值分析,比较了四种跨度三角形及六边形气枕结构在找形气压及风吸作用下的徐变性能.结果表明:ETFE薄膜气枕徐变变形随着气枕跨度、内压的增加而提高,等气压等换算跨度的六边形气枕徐变变形高于三角形气枕.     

均匀流场作用下ETFE气枕的流固耦合分析（英文）

ETFE(Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene)气枕由于自重轻、造型丰富等优点,广泛应用于土木工程领域的大跨空间钢结构如水立方等以及航空航天领域的空间可展结构。ETFE气枕属于风敏感结构,在风荷载作用下,易产生较大的变形和振动,进而使得周围风场发生变化,引起显著的流固耦合效应。这种耦合效应可以通过结构形状改变、附加质量、气动阻尼和气承刚度的变化来表征。目前相关研究主要对张拉膜结构在均匀流情况下的流固耦合作用进行了研究,尚未发现有关ETFE气枕等充气膜结构方面的研究报道。以方形ETFE气枕为研究对象,借助商用有限元软件ADINA,通过将CFD(Computational Fluid Dynamics)/CSD (Computational Structure Dynamics)分析结果与FSI(Fluid Structure Interaction)分析结果进行对比,探究其在均匀流场情况下的流固耦合作用的特点以及对动力响应的影响规律。数值计算中忽略能量的耗散,因此没有考虑气动阻尼的影响,通过有势流体考虑气承刚度的影响,着重研究了流固耦合作用中气枕形状改变和附加质量的影响作用。主要研究内容与结论如下:假定外部流场为均匀层流场,采用8结点层流单元进行离散; ETFE气枕外围薄膜为线弹性材料且其变形满足大转动、小应变条件,采用3D-4结点膜单元进行离散; ETFE气枕的内充气体为小扰动、无旋的理想流体,采用8结点线性势流体单元进行离散。在CFD模块,通过瞬态分析求得ETFE气枕刚性模型表面的风压分布和风荷载时程,然后将风压时程施加在CSD模块中ETFE气枕的膜面上,借助隐式时间积分进行时程分析,求得在不考虑流固耦合作用时气枕的风致响应。通过分别在CFD和CSD模块中设置流固耦合界面,并在CFD模块中引入ALE(Arbitary Lagrangian-Euler)网格离散计算域以考虑流固耦合边界的运动问题,对均匀流场中的ETFE气枕进行双向耦合分析,计算其在考虑流固耦合作用情况下的表面风压和风致响应。通过将CFD/CSD分析结果与FSI分析结果进行对比,研究流固耦合作用对ETFE气枕动力响应的影响规律。结果表明:两种情形下得到的风压分布和数值大致相同,说明在外部均匀流场情况下,气枕形状改变对流场的影响很小;而两种情形下的内压、位移、速度、加速度和应力响应时程结果差异较大,说明在外部均匀流场情况下,附加质量对ETFE气枕动力响应具有显著影响。可见,均匀流场与ETFE气枕的流固耦合作用,在不考虑气动阻尼的情况下,主要体现为附加质量的影响。     

ETFE膜气枕成套技术在国家游泳中心的应用

ETFE膜气枕在本工程的大量应用．是在国外已有技术的基础上的技术革新和突破。包括在建筑外观、节点设计、声、光、热、监控等方面做出了大胆的尝试和研究，并取得了良好的效果；在本工程中所形成的ETFE膜气枕的技术规范和施工验收标准填补了国内空白，达到国际领先水平。     

气-膜耦合作用下ETFE气枕的静力研究

为了研究气-膜耦合作用机理,对方形乙烯-四氯乙烯共聚物(ETFE)气枕进行静力荷载试验,研究气-膜耦合作用及其随影响因素的变化规律。通过在上膜面均匀铺置沙袋对气枕施加均布荷载,获得膜面位移、内压和膜面矢高。通过与有限元分析结果进行对比,校核试验结果的精确性。并通过将内充气体分别在恒质量和恒压情况下的试验结果进行对比,研究ETFE气枕的气-膜耦合作用特征及其随荷载、初始内压和气枕尺寸的变化规律。结果表明：气-膜耦合作用使气枕的上下膜面协同工作,共同承担外荷载、抵抗变形;随着荷载的增加,气-膜耦合作用逐渐增强;在荷载不变时,气-膜耦合作用随初始内压的升高而减弱,随气枕尺寸的增大而增强。