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。     

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气囊膜形态、结构特性与材料性能试验

进行了聚偏四氟乙烯(ETFE)薄膜单向拉伸和反复荷载试验,分析了应力-应变曲线、滞回环曲线特征;根据受约束条件的力密度法找形分析方法,建立了充气膜设计分析理论,并介绍了EasyVol充气膜分析方法;通过数值算例分析,研究了ETFE气囊膜基本形态(菱形、六边形、矩形、圆形)、矢高、气压、初应力等对找形分析的影响及相互作用;进行了气囊膜在风压、风升作用下的荷载特性分析以及结构特性参数分析。该研究对ETFE气囊膜设计具有重要参考价值。     

ETFE薄膜结构积水试验与数值分析

膜结构是一种柔性结构,膜面容易发生雨水积留。针对ETFE(四氟乙烯)薄膜结构,利用ANSYS软件通过迭代计算分析了正方形平面膜面和正方形气枕膜面的积水极限承载力,考察不同跨度及矢跨比时的积水进展情况。计算结果显示,厚度为250μm的单层正方形平面膜面,跨度3m时就会发生积水破坏。对于气枕膜面,是否发生积水破坏由跨度与矢跨比决定。由两层厚度为250μm的ETFE薄膜叠合的正方形边界气枕膜面,当跨度达到5m时将发生积水破坏,跨度为4m、矢跨比达到1/8及以上时也将发生积水破坏。设计制作了3种矢跨比的ETFE薄膜气枕膜面,进行了积水承载试验,将试验结果与数值分析结果进行了对比。     

ECTFE气枕充气过程的试验与模拟分析研究

基于250 μm厚的ECTFE(乙烯-三氟氯乙烯共聚物,ethylene-chloro-tri-fluoro-ethylene)薄膜单轴拉伸试验,国内首次设计制作了一个边长1.0m的正六边形ECTFE气枕,进行了不同内压平面充气成形试验,通过三维摄影测量测定膜面几何,得到了膜面在不同内压下的变形.采用各向同性模型对气枕的充气成形过程进行了数值模拟,得到了膜面应力、应变和变形.试验和数值模拟结果对比表明:随着内压的增加,ECTFE气枕矢高逐渐增大;膜面应力最大值点分布在膜面中心区域,并向边界扩散;应变最大值点位于边界中部,并向膜面中心扩散.本文研究对ECTFE薄膜气枕应用具有参考价值.     

张拉膜结构的结构刚度及其对结构性能的影响

张拉膜结构的力学性能与结构刚度密切相关。采用非线性有限元方法对开敞式鞍形膜结构的静力性能及自振特性进行了参数化分析,主要考虑了膜面预应力、矢跨比、弹性模量等对开敞式鞍形膜结构振动响应的影响规律,重点分析了结构刚度对于结构静力性能及自振特性的影响规律。研究发现:影响开敞式鞍形膜结构刚度的主要参数是膜面预应力、矢跨比和膜材弹性模量,其中预应力影响最大;膜结构的结构刚度可以分为非线性刚度和线性刚度,随着矢跨比的增大,膜结构由非线性体系向线性体系过渡,非线性刚度作用逐渐弱化,线性刚度逐渐强化。     

Warren型平面钢管桁架受压弦杆的面外稳定承载力

受压弦杆面外失稳是Warren型平面钢管桁架面外失稳的主要形式,其受力状态可以简化为支撑弹簧压杆。确定腹杆提供的支撑弹簧刚度是计算压杆面外稳定承载力的必要条件。考虑节点面外转动刚度的影响,推导了腹杆对弦杆支撑弹簧刚度计算公式。对4~15跨的支撑弹簧压杆建立了相应的标准化屈曲计算模型,进行有限元屈曲分析,得到不同跨数压杆的弹簧刚度与面外稳定承载力的数值关系表,通过计算支撑弹簧刚度可以方便地查表得到不同跨数Warren型平面钢管桁架受压弦杆的面外稳定承载力。通过数值算例比较,查表法简便可行,可以在实际工程设计中参考应用。     

ETFE foil spring cushion structure and its analytical method

The traditional Ethylene Tetra Fluoro Ethylene (ETFE) foil cushion is in the form of air cushion, whose structural stiffness is offered by the inner air pressure. Because the air supply and control systems are needed, air cushion structures cost extra energy and need much maintenance. In order to overcome the shortcomings of air cushion, the ETFE foil spring cushion that uses a spring to take the place of air pressure is developed in this paper. At first, the analytical method for shape finding analysis and stress analysis of the spring cushion is described in the paper. A numerical example is shown by means of the software package ANSYS and the suggested method so as to verify the validity of the method. Then, a model experiment on the ETFE foil spring cushion is carried out. In the loading test, the compression of spring is recorded and the experimental results are compared with the analytical results. At the end of the paper, an experimental hall using both ETFE foil air cushion units and spring cushion units as its roof structure is introduced. Through the construction and daily use of the experimental hall, the spring cushion system shows advantages such as easier construction, needing no air supply and control equipments, no running energy and little maintenance compared with the air cushion system.     

框式ETFE膜结构幕墙的性能分析

ETFE材料重量轻、透光率高、自洁性好、具有阻燃性,是一种可用于建筑围护系统中的新型建筑薄膜材料。根据支撑结构的不同,ETFE幕墙可分为框式薄膜幕墙和点支式薄膜幕墙。运用ANSYS软件对5个框式幕墙模型进行找形和荷载分析,结果表明:幕墙受荷膜面最大应力与荷载值基本呈线性变化关系;跨度为2m的ETFE幕墙的可用高度可以达到100m。     

“水立方”围护结构声学性能研究

国家游泳中心“水立方”采用大面积ETFE膜气枕作为围护结构，ETFE膜气枕的声学性能将直接影响比赛大厅的室内声学设计效果与室内装饰效果。在比赛大厅声学设计过程中，建立了声学测试专项实验室，对ETFE膜气枕的声学性能进行测试，获得了真实详尽的数据。本文对声学实验室的建立、声学性能的测试过程做了较为详细的介绍，对测试结果进行了分析与总结，希望对类似材料构造的声学性能测试提供一些参考资料。     

Dynamic geometrical shape measurement and structural analysis of inflatable membrane structures using a low-cost three-camera system

Inflatable membrane structures have gained considerable popularity in recent years owing to the advantages of light weight, beautiful surface and durability. This paper concerns the dynamic geometrical shape in-situ measurement and structural analysis of inflatable membrane structures using a low-cost three-camera system. The measurement system was developed based on three-dimensional (3D) digital photogrammetry. In order to acquire the high-quality measurement results, accuracy influence factors of the system were evaluated. Based on these considerations, dynamic geometrical shapes of inflatable membrane structures can be real-timely measured through the data processing which is used to determine the 3D coordinates of the target points pasted on membrane surfaces from the two-dimensional (2D) photographs captured by three cameras. Following the in-situ measurement of geometrical shape, the stress distributions of inflatable membrane structures can be determined based on the force equilibriums of membrane surfaces between the in-plane forces and out-of-plane loads. For verifying the proposed method, a selected ethylene-tetrafluoroethylene (ETFE) inflated cushion structure model was manufactured and employed for the experimental study of pre-inflated forming and normal working. By carefully analyzing and comparing the experimental results, it is observed that the measurement accuracy was better than 1/11000. More importantly, the geometrical shape of ETFE cushion still deformed with +5.81% difference during the normal working process of 6 months, resulting in that the maximum stress decreased with −3.49% difference.In general, this paper could provide an efficient and accurate method to measure the dynamic geometrical shapes of inflatable membrane structures, which is the basic information for the further structural analysis.