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ETFE气枕平面裁切成形方法试验与数值模拟

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ETFE气枕平面裁切成形方法试验与数值模拟

作者：李一坡上海交通大学

学位级别：硕士

具有高透光、自洁性和可循环利用等特性的乙烯-四氟乙烯（ethylene-tetra-fluoro-ethylene,ETFE）薄膜是一种轻质透明建筑材料,常与钢结构、铝合金结构等一起形成大跨膜结构,被广泛应用于建筑领域。作为一种高分子材料,ETFE在不同应力... 详细信息

具有高透光、自洁性和可循环利用等特性的乙烯-四氟乙烯（ethylene-tetra-fluoro-ethylene,ETFE）薄膜是一种轻质透明建筑材料,常与钢结构、铝合金结构等一起形成大跨膜结构,被广泛应用于建筑领域。作为一种高分子材料,ETFE在不同应力及温度作用下体现出不同的力学特性。从目前的研究现状来看,对ETFE力学性能的温度和率相关性研究、不同温度下徐变的研究,以及基于非线性弹塑性特性的平面裁切设计研究尚不充分,需进行进一步的试验和研究。本文以ETFE薄膜和ETFE气枕为研究对象,对ETFE薄膜进行了不同温度下的单轴拉伸和徐变试验,并对ETFE气枕不同温度下的平面裁切成形过程进行了试验和数值模拟。首先,本文对15组250μm厚的ETFE薄膜长条形试件在40℃、60℃、80℃的温度下进行了不同应变速率（1%/min、10%/min、50%/min、100%/min、200%/min）的单轴拉伸试验,采用面积法和几何分析法得到了材料的屈服强度、屈服应变在不同温度下随应变速率的变化规律。试验结果表明,不同温度下ETFE薄膜的屈服强度随应变速率的增大而非线性增大,随温度的升高而降低,且在低速状态下应变速率对屈服强度的影响较大,这对不同温度下的工程分析具有参考价值。其次,基于ETFE膜结构使用地区的最高温度以及材料在不同温度下实际使用的应力水平范围,对12组ETFE薄膜在40℃到80℃下进行了不同温度和不同应力下的徐变试验。对试验数据采用对数拟合,分析了拟合参数随试验条件的变化规律,并得出考虑加载应力和温度的函数关系式,相关系数在0.95左右,可较好地描述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结构性能有重要作用。试验和分析结果表明,ETFE薄膜的徐变特性随加载应力的升高而非线性增大;40℃以下且应力在6MPa以下时材料的徐变较小且增加缓慢;40℃以上或较高应力状态下,徐变显著。再次,基于修正的时间强化理论模型建立了ETFE在不同温度下的徐变模型,该徐变模型考虑不同温度下徐变应变与应力水平、徐变时间的关系。通过对徐变试验结果的拟合确定不同温度下的材料模型参数。将该模型集成于有限元软件ANSYS中,对不同温度下的24 h徐变试验结果进行数值模拟,结果表明修正的时间强化模型对ETFE徐变的描述具有适用性。最后,基于平面裁切的成形方法,设计并制作了3个相同的矩形ETFE气枕。在室温、40℃、60℃的温度条件下对气枕进行了不同内压水平的平面成形试验,包括充气加压和保持内压24 h两个过程。试验结果表明,在不同温度条件下,保持内压不变的情况下,ETFE薄膜会产生明显的徐变,使气枕膜面变形不断增大,尤其在高温条件下,较小的内压也会产生较大的徐变变形。基于各向同性强化弹塑性模型和修正的时间硬化模型对ETFE气枕的充成形过程进行了数值模拟,得到了不同温度和内压下气枕膜面的应力水平,以及膜面应变、变形分布的基本特征,与试验结果进行对比,验证了模型计算方法的适用性,对高温条件下ETFE气枕的徐变特性研究具有一定的参考意义。

关键词： ETFE薄膜单轴拉伸力学性能徐变特性温度应力效应徐变模型 ETFE气枕充气成形过程平面裁切

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基于平面裁切的ETFE气枕成形与徐变试验

基于平面裁切的ETFE气枕成形与徐变试验

ETFE气枕平面充气成形过程的非线性结构性能分析

第十四届全国现代结构工程学术研讨会

作者：赵兵陈务军宋浩蔡晶上海交通大学空间结构研究中心上海太阳膜结构有限公司

ETFE膜结构是形成产业的最新、最短历时的新型膜结构。相对于传统的基于三维裁切的ETFE气枕成形方法,本文提出了基于平面裁切的成形方法。本文设计并加工了基于平面裁切的边长为2.5m的ETFE正三角形气枕模型。采用自主研制的充气膜结构... 详细信息

ETFE膜结构是形成产业的最新、最短历时的新型膜结构。相对于传统的基于三维裁切的ETFE气枕成形方法,本文提出了基于平面裁切的成形方法。本文设计并加工了基于平面裁切的边长为2.5m的ETFE正三角形气枕模型。采用自主研制的充气膜结构充气与压力控制系统对ETFE气枕模型进行充气成形试验,充气压力从0kPa至4kPa,以0.25kPa为一个增量。并进行保持压力恒定为4kPa的徐变试验,持续时间为25min。之后压力降至0.5 kPa,进行持续时间为24h的徐变恢复试验,至ETFE气枕形态稳定。在试验过程中利用三维摄影测量系统对ETFE气枕上膜面形态进行测量,并配合使用高精度激光位移计对下膜面矢高变化进行测量。试验得到了充气成形试验、徐变试验和徐变恢复试验各状态下的ETFE气枕上膜面形态和下膜面矢高值,研究了ETFE气枕结构的特性。最后,ETFE气枕在内压为0.5kPa时的气枕高度为120.5mm、矢跨比为1/12,相对于初次成形时的高度（77.5mm）和矢跨比（1/18.6）有明显提高,表明可以通过合理的徐变来有效增大ETFE气枕的矢高。试验结果证明了基于平面裁切方法进行ETFE气枕成形的方法具有高度可行性,对ETFE气枕结构的推广和应用具有较高价值。

关键词： ETFE气枕成形方法平面裁切三维摄影测量充气成形徐变徐变恢复

来源： cnki会议评论

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建筑结构学报 2018年第3期39卷 12-18页

作者：阴悦胡建辉陈务军赵兵杨德庆上海交通大学空间结构研究中心上海200240 上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

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... 详细信息

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172 mm,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2 k Pa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。

关键词： EFFE气枕平面裁切充气成形试验材料力学非线性 Peirce模型膜面应力膜面应变

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ETFE气枕结构成形设计方法与试验

哈尔滨工业大学学报 2016年第6期48卷 58-63页

作者：赵兵陈务军胡建辉董石麟上海交通大学空间结构研究中心上海200240

为研究ETFE气枕结构的成形方式,引入基于找形分析的零应力态三维裁切和基于材料非线性的平面裁切两种设计方法,对比了两种方法的设计过程,并分别分析了两种方法的设计分析过程和力学模型.通过两个ETFE气枕模型充气成形试验和数值模拟,... 详细信息

为研究ETFE气枕结构的成形方式,引入基于找形分析的零应力态三维裁切和基于材料非线性的平面裁切两种设计方法,对比了两种方法的设计过程,并分别分析了两种方法的设计分析过程和力学模型.通过两个ETFE气枕模型充气成形试验和数值模拟,得到了结构的膜面外形和应力分布及其变化规律.结果表明:对于三维裁切成形模型,气枕膜面外形的试验结果与数值模拟最大误差为4 mm,应力的最大值相差0.4 MPa;对于平面裁切成形模型,初次成形时的气枕膜面外形与应力分布的试验与数值相一致,随ETFE材料的徐变,膜面升高、应力减小,矢跨比由1/19增大为1/12.试验与分析验证了本文提出的成形设计方法.

关键词： ETFE气枕成形设计方法三维裁切平面裁切成形试验数值模拟膜面外形应力分布

ECTFE气枕充气过程的试验与模拟分析研究

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空间结构 2021年第3期27卷 68-73页

作者：刘昶江赵兵陈务军上海交通大学空间结构研究中心上海200240

基于250μm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... 详细信息

基于250μm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.

关键词：乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)薄膜气枕平面裁切充气成形

ECTFE薄膜材料力学性能与气枕结构行为试验研究

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ECTFE薄膜材料力学性能与气枕结构行为试验研究

作者：刘昶江上海交通大学

学位级别：硕士

乙烯-三氟氯乙烯共聚物（ethylene-chloro-tri-fluoro-ethylene,简称ECTFE）为有两相结构的半晶聚合物,具有粘弹塑性。ECTFE薄膜的自重小、抗冲击性强、使用温度范围较广、雾度超低、自洁性优异、抗破损性好。ECTFE薄膜的工程力学性能... 详细信息

乙烯-三氟氯乙烯共聚物（ethylene-chloro-tri-fluoro-ethylene,简称ECTFE）为有两相结构的半晶聚合物,具有粘弹塑性。ECTFE薄膜的自重小、抗冲击性强、使用温度范围较广、雾度超低、自洁性优异、抗破损性好。ECTFE薄膜的工程力学性能研究较少,因此对ECTFE材料、薄膜和气枕的性能探究亟需开展。本文对ECTFE薄膜展开了不同应变速率、温度、循环拉伸条件下的单轴拉伸试验和分析,对ECTFE气枕的平面裁切成形过程展开了模拟分析和试验论证。首先,本文对不同试样形状的ECTFE薄膜分别进行单轴拉伸试验,发现条形试样和哑铃形试样的屈服强度相近。对MD（Machine Direction）和TD（Transverse direction）方向的试样进行了8种应变速率下（?（5）=0.02/min～10.00/min）的单轴拉伸试验,得到了多种力学参数。分析表明:ECTFE薄膜为各向同性材料;应力应变曲线共经历弹性、应变软化、冷拉和应变硬化四个主要阶段;力学参数与应变速率的拟合公式可预测膜材在不同应变速率下的力学参数。其次,基于实际环境中高聚物薄膜的最高使用温度以及材料的使用温度范围,对ECTFE薄膜进行了不同的低-高温度（T=-50℃～80℃）下的单轴拉伸试验。试验结果表明:随着温度的降低,应力应变曲线整体抬升,拉伸强度、弹性模量、屈服强度增加;在不同温度下（-50℃～80℃）,拟合公式保证误差系数达93%,屈服强度的差值可达到89%;给出了主要力学参数和温度的拟合公式,可较好地描述温度相关性。再次,针对ECTFE薄膜在实际工程中的受力情况,对条形ECTFE薄膜试样在MD方向进行单轴循环拉伸试验,通过应力和应变控制循环的开始。ECTFE薄膜在屈服点之前开始循环拉伸,弹性模量所受影响较弱;随着循环次数的增加,薄膜的弹性模量增加。分别在非线性的三个阶段:软化阶段、冷拉阶段、应变硬化阶段中,给出了ECTFE薄膜的弹性模量随循环次数变化的拟合方程。循环拉伸结束后继续拉伸至膜材屈服或断裂,材料保持单轴拉伸的应力应变特性。在最后,基于几何非线性材料线性模型,对不同内压下的ECTFE气枕的充气成形过程进行了数值模拟,进行了1.0 m边长正六边形ECTFE双层薄膜气枕的平面裁切充气成形试验,通过将试验测得的矢高与模拟结果进行对比,确认了数值模拟的可靠度,通过数值模拟得到了不同内压下的膜面应力、应变、变形的基本特征,对不同气压下的最大应力、最大应变和矢高进行了曲线的拟合,对常温条件下ECTFE气枕的形变特性研究具有一定的参考意义。

关键词： ECTFE薄膜单轴拉伸试验率相关性温度相关性单轴循环拉伸 ECTFE气枕充气成形平面裁切