充气膜承力结构整体屈曲与局部皱曲行为研究

屈曲问题是充气膜承力结构设计及受力特性分析中的核心问题，局部皱曲是充气膜承力结构特有的力学行为。本项目重点针对结构整体屈曲行为、局部皱曲特性、褶皱-皱折耦合机理三个主要问题深入开展理论和试验研究。首先，提出虚拟梁法将充气梁模型等效转化为虚拟梁模型，确立充气膜承力结构屈曲特性的数值分析方法。然后，提出极值法并联合壳膜模型，重点分析充气膜承力结构的局部皱曲特性，预报褶皱形成及演化特性，并进行方法有效性试验验证。之后，将皱折引入到皱曲分析中，采用数字摄影测量法获取准确的形变信息，重点开展褶皱-皱折耦合机理解析及其对结构屈曲缺陷敏感性影响分析。最后，基于已有的分析方法和试验结果，确立基于SMA丝的褶皱智能控制策略，通过试验与数值模拟综合分析褶皱形变智能控制机制。本项目争取在褶皱-皱折耦合效应及皱曲扩展本质的试验解析及数值理论分析方面取得一定突破，为丰富薄膜结构力学基础理论研究奠定基础。

相关屈曲是充气膜承力结构的关键力学问题之一。本项目围绕该问题重点开展了四个方面的研究：结构整体屈曲行为、局部皱曲特性、褶皱-皱折耦合性能和褶皱智能控制。取得的重要成果如下：（1）建立了充气膜承力结构屈曲行为分析的充气梁理论模型，确立了充气梁理论的有限元离散及虚拟梁数值分析方法，基于虚拟梁法分析了充气膜承力结构非线性屈曲行为并得到了试验验证；（2）建立了充气膜承力结构皱曲分析的壳膜模型，提出了弯皱因子的概念，建立了充气梁皱曲判据，提出了极值法并预报了充气梁的弯皱特征，评估了褶皱的扩展演化特性。分析了充气膜承力结构的承载效率并进行了抗弯承载试验；（3）建立了具有折痕的薄膜力学性能预报模型，基于分叉理论预报了皱曲临界载荷；确立了具有折痕薄膜的皱曲性能模拟方法，联合直扰力技术和显式时间积分法完成了具有折痕薄膜的皱曲性能仿真分析，明确了折痕对薄膜褶皱产生与扩展演化的影响规律；（4）以等效节点力的形式考虑SMA丝的驱动力效应，提出了等效节点力法并联合直扰力技术，完成了充气膜承力结构皱曲演变及褶皱智能控制的全过程仿真分析。根据充气膜承力结构皱曲波的分布特征与力学特性，提出了基于SMA丝的褶皱智能控制策略。结合SMA丝驱动效应和充气膜承力结构的弯皱变形控制试验与非接触数字摄影测量技术，完成了充气膜承力结构褶皱智能控制策略的试验验证，阐明了基于SMA丝的褶皱智能控制实现机制。通过研究：（1）解决了如何综合考虑由气压产生的应力刚化效应、大变形效应、缺陷敏感性、整体与局部屈曲的关系，以及在屈曲计算中出现的非线性迭代收敛性和耗费机时的问题，实现了对复杂形式大尺度充气膜结构非线性屈曲特性的准确预报。（2）解决了现有模型无法准确预报充气膜皱曲失效的问题，提出了壳膜模型反映了充气膜承力结构的受力和结构特点，实现了对皱曲特性的准确预报。（3）解决了引入折痕后薄膜结构皱曲特性的耦合分析，准确预报了折痕对薄膜失稳性能的影响规律，揭示了褶皱与皱折的耦合机制。研究成果发表在Int. J. Solids Struct.和Int. J. Mech. Sci., 等刊物共29篇，其中SCI检索21篇，EI检索7篇。申请国家发明专利24项，其中18项获得授权。研究结果对理解薄膜失稳机制以及基于褶皱的薄膜结构力学性能调控具有重要意义。