薄膜褶皱及二次皱曲行为数值分析和模拟研究

褶皱是高精度膜结构的主要失效模式，是局部皱曲导致薄膜变形面外分叉的复杂形变现象。为了精确预报褶皱形状和深入揭示褶皱形成及扩展机理，亟需确立准确的褶皱计算方法。本项目以屈曲理论为基础，重点针对刚度矩阵奇异性消除、缺陷敏感性准确评估和二次皱曲三个核心问题开展褶皱数值分析和模拟研究。首先提出修正位移分量法消除分叉点的刚度矩阵奇异性，再以增量位移形式诱发后皱曲计算完成褶皱数值分析。然后将算法的核心思想融入到非线性屈曲有限元分析技术中，结合用户自定义参数及模块设计实现褶皱模拟分析。再综合分析膜结构非线性屈曲全过程，追踪后皱曲分叉平衡路径，完成膜结构的二次皱曲行为分析。最后采用数字摄影测量法获取褶皱特征参数，结合拉伸和剪切皱曲实验解析褶皱形成和扩展本质，并校验褶皱计算方法的正确性。本项目将在膜结构褶皱计算和数值理论方面取得一定突破，为高精度膜结构的褶皱控制和形面精度分析提供理论依据。

本项目重点围绕薄膜褶皱及二次皱曲行为数值分析和模拟开展研究，膜面褶皱计算中的刚阵奇异性消除以及在后皱曲中对二次皱曲现象的物理解释是本项目的两个核心研究内容。.通过研究提出了一个方法，稳定了两个技术，获得了三个发现。.一个方法：提出了修正位移分量法，解决了褶皱计算中刚度矩阵奇异性消除问题。该方法从特征矢量空间角度，将导致刚度矩阵奇异性最主要的第一阶特征矢量作为修正对象，利用第一阶特征矢量重新确定分叉控制方程，并分解获取对应奇异性的位移分量，将刚度矩阵奇异性消除问题转化为奇异位移分量消除问题。利用临界点处的三个平衡等式对奇异位移分量进行修正，三个平衡条件等式分别为：皱曲模态等式、皱曲临界点处皱曲模态对应的载荷消除后的关系等式及奇异位移解存在条件等式，进而获得非奇异位移解。然后，通过扰动位移将路径成功转移到分叉路径，完成褶皱非线性数值分析理论。该方法的核心是皱曲模态的准确引入和及时消除。.两个技术：提出了直扰力技术实现了薄膜分叉、皱曲及后皱曲全过程数值模拟。该技术以修正位移分量法的两个核心工作（皱曲模态的准确引入和及时移除）为要求，通过在薄膜表面引入等效扰动力诱发初始缺陷并产生皱曲分叉，过分叉点后通过删除扰动力将其对后皱曲的影响消除，获取更为准确的模拟结果。提出了阵列点印标靶成型技术，联合DIC应变测试系统和褶皱试验解析了薄膜皱曲的物理本质。该技术结合提出的阵列点印标靶并采用薄膜印刷技术实现了在薄膜表面印刷高密度阵列靶点或散斑，该靶点具有随体性、能够与薄膜良好粘接且可与膜材形成鲜明色差。联合非接触数字摄影测量和DIC应变测试系统获取了点阵靶点的三维空间坐标，进而实现对褶皱构型和褶皱应变的获取。结合标准褶皱试验，获得了褶皱产生、扩展和演化的阶段性规律，明确了薄膜褶皱的物理本质。.三个发现：通过研究发现和明确了薄膜面内位移的面外分叉是诱发薄膜皱曲的物理本质。研究还发现薄膜褶皱纹理方向存在过度收缩变形且其具有可变泊松比效应。此外，通过对薄膜后皱曲特性研究发现，后皱曲阶段褶皱波的分裂和突变是典型的二次皱曲现象，它是新褶皱产生、扩展和演化的本质。.围绕上述主要内容，相关研究成果获授权发明专利2项，受理发明专利4项。开发软件1套。发表学术论文（含已用）21篇，其中SCI 11篇，EI 5篇。