对角受拉方膜褶皱变形幅值的理论预测及实验验证

柔性薄膜结构广泛应用于航天飞行器的关键部件.形面平整度是影响薄膜结构性能的主要因素之一.褶皱幅值是评价薄膜反射面天线形面平整度的重要指标.褶皱幅值的大小与垂直于褶皱方向的横向应变密切相关.本文基于薄板稳定性理论,针对对角受拉方形薄膜建立了一个能够准确预测其褶皱变形幅值的理论模型.该模型考虑了横向拉伸力对薄膜变形的影响,将垂直于褶皱方向的位移分解为由泊松效应造成的横向收缩位移、由面外变形造成的褶皱位移以及由横向拉伸力造成的拉伸位移三个部分,重新推导了褶皱幅值的理论公式. 基于数字图像相关技术,对受拉方形薄膜进行了散斑实验测试. 利用双目视觉三维测量系统,测量了方形薄膜的三维位移场, 获得了薄膜的三维变形形貌和褶皱波形图,研究了褶皱幅值与拉伸载荷之间的非线性关系. 与已有理论模型相比,该模型进一步提高了褶皱幅值的计算精度, 与实验结果吻合良好.本文呈现的理论研究可为精确数值模型的建立及算法实现提供有意义的指导.      

基于摄影测量法的薄膜褶皱实验研究

采用非接触式的测试方式摄影测量法对薄膜褶皱进行了实验研究.建立了剪切薄膜褶皱的分析模型,并基于摄影测量法对该模型的褶皱变形模式进行了实验研究.摄影测量法是通过对不同角度上相机拍摄到的同一靶点的图像信息进行处理,可以得到相应靶点的三维坐标,从而实现对微小变形的非接触式的测量.通过摄影测量法得到了剪切薄膜褶皱的变形模式.实验研究表明,在剪切距离增大的情况下薄膜褶皱的数量保持不变,但是褶皱面外变形幅度随着剪切距离的增加而增大.试验结果与数值分析结果具有相关性,摄影测量法适合于薄膜结构微小面外变形的非接触式测量.     

二维数字图像相关测量中离面位移引起的误差分析

二维数字图像相关方法作为一种非接触全场变形测量的光学方法,在工程上有着广泛的应用.由于其假设物体只发生面内位移,而实验中往往存在离面位移,从而引起测量误差.本文针对这一问题利用了针孔模型,从理论上分析了离面位移对普通镜头测量结果的影响,通过铝块平移实验验证了理论分析的正确性.利用提出的理论模型修正橡胶材料的变形测量结果,并与远心镜头测量结果进行对比,发现修正后的普通镜头测量的结果更接近远心镜头测量的结果.最后,本文根据理论分析和实验验证,给出了减小或消除离面位移造成误差的方法.     

基于张力场理论的薄膜褶皱研究评述

张力场理论是较早提出的研究薄膜褶皱的理论,该理论忽略了薄膜的弯曲刚度, 认为在褶皱 区薄膜处于单轴的应力状态,褶皱的方向为大主应力方向,垂直于褶皱方向的小主应力为零. 基于这种方法提出了很多褶皱的分析模型. 这些分析模型通过引入参数对薄膜的本构关系或 变形梯度进行修正,然后通过数值的方法进行求解,可以得到褶皱形成以后的应力分布,及 褶皱的方向. 其主要的缺点是不能得到褶皱的波长、幅度及数量等信息. 基于能量方法的褶 皱分析,首先要假定褶皱的变形模式,然后通过能量关系得到褶皱幅度和波长的表达式. 本 文对比分析薄膜褶皱的不同分析方法,并指出了薄膜褶皱研究的发展趋势.     

力-热耦合作用下钛膜的破坏行为实验研究

金属薄膜/聚合物基底(尤其是温度敏感型的聚合物)结构在外力和加热影响下的力学性能变化直接影响到器件的功能和使用寿命。通过光学显微镜原位观察钛膜/有机玻璃基底结构在力-热(20~44℃)耦合作用下的薄膜表、界面响应。在外部轴向压力作用下,薄膜会发生垂直于加载方向的屈曲。保持试件的加载端边界位移不变,对其进行加热,薄膜会出现垂直于屈曲方向的横向裂纹。通过分析发现薄膜产生横向裂纹的原因为:力-热耦合作用促使聚合物基底在非加载端方向的拉应变增大。在不同长度的薄膜裂纹段上,较长裂纹段中心部位上受到基底传递的拉应力较大,产生再次断裂的可能性较高。     

空间薄膜阵面结构褶皱的实验研究

阵面薄膜上的褶皱会显著影响航天器性能,褶皱控制也是薄膜航天器研发的难点。本文采用白光扫描技术,测试了一个正方形薄膜阵面结构在纯剪切作用下的褶皱特性。测试结果显示,随着剪切力的增大,结构膜面褶皱数增加,褶皱幅度增大,膜面平整度降低。随着膜面预应力的增大,膜面上的褶皱数略有增大,褶皱幅度有所减小,膜面平整度有所提高。测试结果还显示,膜面上粘结缝的存在、以及粘结缝与剪切力间的方位关系对膜面褶皱有复杂的影响。论文所得结论对薄膜阵面结构设计研发具有参考价值。     

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建立了薄膜褶皱分析的力学模型,并基于张力场理论和稳定性理论分析了褶皱区域的应 力应变关系. 在此基础上提出了褶皱薄膜动态分析的NBA-UM(nonlinear buckling analysis-update matrix)分析方法，分析了褶皱薄膜振动特性. 结 果表明，褶皱使薄膜产生``过度收缩' 现象，并改变了薄膜中的应力分布. 褶皱对薄膜的振动特性有很大的影响，大幅度的褶皱改 变了薄膜振动的固有频率和模态形式. 提出的NBA-UM分析方法可以有效地预报褶皱薄膜 的动态行为.     

基于PVDF复合压电效应的低强度冲击波柔性测量

为探索低强度冲击波的柔性测量技术,对PVDF(polyvinylidene fluoride)压力传感器开展冲击波加载和灵敏度标定实验,评估其低强度冲击波压力测量的可靠性。基于微结构设计改进薄膜传感器,获得适用于低强度冲击波压力测量的高灵敏柔性传感器,结果表明:单一压电工作模式的薄膜传感器测量低强度冲击波时有效输出电荷量和信噪比较低,测量结果容易受压电膜力电响应非线性、结构表面变形振动以及封装因素的影响,灵敏度系数不稳定、个体差异性大。采用周向固支的微结构设计能够将作用于薄膜传感器表面幅值较低的冲击波转换为幅值较高的面内拉应力,产生的复合压电效应可大幅提高传感器名义灵敏度系数、降低个体差异性。研制的柔性传感器在0.2～0.7 MPa压力范围内名义灵敏度约900～1 350 pC/N,相对测量误差不大于±13%。     

空间薄膜结构的褶皱形变预测

空间充气结构技术是一项全新的空间结构构建技术,基于该技术的空间充气结构是未来空间任务的主要需求对象．该结构主要由薄膜构成,因此结构形面精度的保持是关键问题．褶皱是薄膜特有的现象,它的存在会严重影响结构形面精度,因此进行褶皱研究很有必要．根据屈曲理论联合薄膜褶皱的实际构型建立了薄膜结构褶皱的预测模型,分析了矩形平面薄膜受面内水平剪切情况下的褶皱,得到了褶皱幅度和褶皱波长以及薄膜结构产生褶皱时的临界压缩应力,通过与已有文献结果及本文实验结果的比较验证了该分析方法的有效性和结果的正确性．     

MEASUREMENT OF LÜDERS BAND IN SMALL SIZE LOW CARBON STEEL SPECIMEN BY 3D DIGITAL IMAGE CORRELATION METHOD

吕德斯效应是多种金属和合金材料由于屈服阶段的不均匀变形而在材料表面产生条带状褶皱的现象,它会使冲压件表面质量降低. 为了防止它的出现,对吕德斯效应进行研究变得非常重要. 采用小视场(15mm×15 mm)下三维数字图像相关方法对小尺寸低碳钢试件在单轴拉伸载荷作用下的变形场进行测量,实际观测了小尺寸试件的吕德斯效应,结合理论模型解释了其形成机理,并分析了吕德斯带传播过程中应变及应变率的变化规律.实验研究表明,运用三维数字图像相关方法测量试件表面变形场,实现了对小尺寸低碳钢试件的吕德斯带演化过程以及颈缩、断裂等细观力学行为的观测,该方法是研究材料变形细观机理的一种有效测量手段.     

热超弹性薄板非对称拉伸的分岔和稳定性

本文应用超弹性材料的有限变形理论分析了在面内等双向拉伸死载荷作用下不可压热超弹性方形薄板发生非对称变形的分岔及其稳定性问题.给出了方板变形的分岔曲线和临界载荷,发现对受面内等双向拉伸载荷作用的均匀方板,当拉伸载荷值较小时,方板双向等伸长变形,发生对称的拉伸变形;但当此载荷值大于某一临界值时,从方板的对称拉伸变形中分岔出非对称的变形,方板在两个方向的变形不再相等.通过变形发生分岔前后的能量比较发现,分岔后的对称变形是不稳定的,而非对称变形是稳定的.同时,给出了板中的应力分布曲线,并由不同温度下变形的分岔曲线和应力分布曲线讨论了温度对方板变形和板中的应力分布的影响.     

小尺寸低碳钢试件吕德斯效应的三维数字图像相关测量

吕德斯效应是多种金属和合金材料由于屈服阶段的不均匀变形而在材料表面产生条带状褶皱的现象,它会使冲压件表面质量降低.为了防止它的出现,对吕德斯效应进行研究变得非常重要.采用小视场(15 mm×15 mm)下三维数字图像相关方法对小尺寸低碳钢试件在单轴拉伸载荷作用下的变形场进行测量,实际观测了小尺寸试件的吕德斯效应,结合理论模型解释了其形成机理,并分析了吕德斯带传播过程中应变及应变率的变化规律.实验研究表明,运用三维数字图像相关方法测量试件表面变形场,实现了对小尺寸低碳钢试件的吕德斯带演化过程以及颈缩、断裂等细观力学行为的观测,该方法是研究材料变形细观机理的一种有效测量手段.     

简谐力激励下结构拓扑优化与频率影响分析

研究了简谐力激励下以结构指定位置稳态阶段位移响应幅值为目标函数、结构体积为约束的拓扑优化设计问题. 通过在频域上使用模态叠加法求解简谐力激励下的位移响应, 分析了激励频率和作用方向对位移响应幅值及其优化结果的影响.引入材料属性的多项式插值惩罚模型, 有效消除了动力学拓扑优化局部模态现象.分析了高频激励下位移响应幅值拓扑优化存在的稳定性差、结构不连续等问题, 并通过引入附加静位移约束, 获得了清晰合理的结构形式.理论分析和算例结果揭示了位移响应幅值优化过程中结构模态的变化规律, 验证了该拓扑优化模型的有效性.     

受拉钢筋混凝土构件破坏过程的数值模拟

采用三维材料破坏过程分析MFPA3D系统,对钢筋混凝土构件轴心受拉条件下的受力、变形与内部裂纹萌生、扩展及最终破坏全过程进行了数值试验研究。数值模型中引入统计分布函数反映了混凝土的非均匀性影响,并采用具有残余强度的弹性损伤本构模型及其破坏单元材料性质退化方法,利用位移加载方式对钢筋混凝土构件实施拉伸加载。通过对钢筋、素混凝土方形体以及钢筋混凝土方形柱体构件在拉伸作用下破坏过程的数值试验,分析了钢筋与混凝土两种材料之间的相互作用、约束机理和破坏机理。数值试验成果对于深入了解钢筋和混凝土的联合受力规律和钢筋在开裂前后对整体钢筋混凝土结构的作用机制有参考价值。     

错位云纹干涉法同步测量三维位移导数场

本文提出一种变载波双曝光错位云纹干涉法,将变形信息的记录过程与错位分析分开进行。通过对一级衍射波引入适当载波后,用双曝光法将变形信息记录在一张底板上,尔后通过滤波分离变形信息及错位处理,实现了三维位移导数场的同步测量。文中给出了较为严密的理论推导,并给出了平面模型静态下的面内和离面位移场测量结果。     

球形薄膜的变形测量与力学分析研究

目前对于薄膜材料力学性能研究多采用单轴拉伸的实验方法,此方法在测量有特殊构型薄膜材料时有一定误差,也只能测量单一方向的力学性能。本文选用球面乳胶薄膜为实验材料,在考虑球形外形结构的基础之上,测量了整个薄膜表面的力学性能。实验在自制的装置之上结合三维数字图像相关技术(3D-DIC)测出整个薄膜表面位移场,并且结合相关公式计算出乳胶球面薄膜制品表面的拉格朗日应力场和应变场,并对膨胀后薄膜厚度变化做了相应分析。结果显示乳胶薄膜表面的变形并非均匀,圆周方向抗变形能力大于子午线方向。     

材料力学方法分析接触问题的精度与梁理论的改进

 讨论了材料力学经典梁理论与考虑横向剪切变形的铁摩辛柯梁理论分析接触问题的精度. 通 过计入横向拉压变形效应改进铁摩辛柯梁理论, 获得了与完全三维分析吻合很好的结果. 对 于细长梁, 如果仅计算提起段高度, 经典梁理论已经有足够的精度; 如果计算悬空段长度, 需要采用铁摩辛柯梁理论; 如果计算接触应力, 则需要考虑横向剪切和拉压变形效应, 采用 修正的铁摩辛柯梁理论.     

基于稳定理论的剪切薄膜屈曲分析

依据大挠度屈曲理论,考虑沿褶皱方向张拉应力对薄膜结构的影响,推导出了屈曲后的褶皱构形参数表达式,并结合试验结果对所得公式进行了简化. 采用该公式对剪切位移载荷作用下平面张拉薄膜的屈曲现象进行分析. 通过与已有文献公式以及ABAQUS 数值分析结果和试验结果进行比较,从而验证了该公式的有效性和合理性.      

基于稳定理论的剪切薄膜屈曲分析简

依据大挠度屈曲理论,考虑沿褶皱方向张拉应力对薄膜结构的影响,推导出了屈曲后的褶皱构形参数表达式,并结合试验结果对所得公式进行了简化. 采用该公式对剪切位移载荷作用下平面张拉薄膜的屈曲现象进行分析. 通过与已有文献公式以及ABAQUS 数值分析结果和试验结果进行比较,从而验证了该公式的有效性和合理性.     

曲面薄膜结构褶皱失稳力学

薄膜结构褶皱失稳在微观和宏观尺度会出现相似的形貌, 在过去二十年里引发了学者们极大的研究兴趣. 而几何曲率对薄膜结构的失稳临界、形貌选择和后屈曲演化起着至关重要的作用. 本文回顾近二十年来平面和曲面薄膜结构褶皱失稳力学研究进展, 聚焦曲率影响下的薄膜拉伸和膜基结构在各种激励下的稳定性问题. 有限应变板壳理论模型和数值计算方法的发展推动了对曲率影响下薄膜结构表面形貌多重分岔转变的定量理解、预测和追踪, 不仅推进了对薄膜结构失稳机理的深入理解, 也为抑制褶皱或利用失稳实现多功能表面制造提供了理论基础, 可促进拓扑形貌相关的功能性膜结构的设计及优化.