受扭圆环膜褶皱影响因素的数值分析

薄膜广泛应用于土木工程中的大跨建筑结构以及航空航天领域的空间可展结构.由于其厚度薄、抗弯刚度小,在压应力作用下会形成褶皱.褶皱变形对薄膜结构的表面精度以及力学特性产生重要影响.为了深入认识薄膜的褶皱行为,探究褶皱因素的影响作用及其影响机理,以受扭圆环膜为研究对象,采用基于板壳稳定理论的褶皱模型,借助有限元方法,深入分析了褶皱变形特征随边界条件、预张力、薄膜厚度以及材料常数等因素的变化规律.

受扭圆环薄膜褶皱变形的试验研究

通过对圆环薄膜进行受扭试验,研究薄膜的褶皱变形机理及其随影响因素的变化规律。为减小边界条件的误差扰动,研发高精度试验装置。通过砝码和同步装置对圆环膜施加预张力,借助旋转平台施加扭矩,采用激光位移传感器对褶皱变形进行非接触测量,主要研究边界条件、预张力以及膜厚等因素对薄膜褶皱变形及其特征参数的影响规律。结果表明:随着扭转角的增加,褶皱幅值逐渐增大,由于没有二次屈曲发生,褶皱数量和褶皱半波长没有明显变化;增大预张力能够有效提高薄膜刚度,从而褶皱幅值和褶皱半波长减小,但使褶皱数量增多;膜厚增加能够提高薄膜的抗弯刚度,在相同扭转角和预张力的情况下,褶皱数量减少,但使得褶皱幅值和褶皱半波长增大。研究成果揭示褶皱因素对褶皱变形的影响规律,有助于通过其影响特性对薄膜褶皱变形进行有效控制,保证薄膜结构的形面精度。