内压动态耦合下ETFE气枕非线性结构力学行为研究

ETFE cushion is a novel membrane structure, which employs internal pressurized air to support the membrane surface and to maintain the stiffness, and performs the adaptive control of internal pressure to resist different external loads. This structure thus has a very wide application range. However, very few attentions of structural analysis method have been paid on the internal pressure coupling and material nonlinearity, resulting in the difficulties of structural design safety. According to the characteristics of internal pressure dynamic coupling and material rate-dependent nonlinearity, based on the gas thermodynamics and polymer viscoelasticity theories, the dynamic coupling model of ETFE cushion internal pressure and rate-dependent nonlinear stress-strain constitutive model of ETFE foil material are established. Based the above models, the structural analysis method is proposed to reveal the internal mechanism between the internal pressure coupling and structural response of ETFE cushion subjected to dynamic loads. Based on the linear adjustment and the continuum mechanics theories, the analysis methods for calculating the stress and strain distributions on membrane surface are established. An advanced experimental device for dynamic loading is developed. The uniaxial, biaxial and multiaxial tensile tests are performed on ETFE foil materials and the parameters of nonlinear constitutive model are identified. The response test and numerical simulation are carried out to investigate the nonlinear structural mechanical behaviors of ETFE cushions subjected to dynamic loading. The research findings will provide the experimental and theoretical bases to guide the adaptive control and safety design of ETFE cushions, which thus have the important theoretical significance and the value in engineering applications.

ETFE气枕是一种新型膜结构，由内部气体支承膜面形态与维持刚度，通过内压自适应控制抵抗不同外荷载，具有广阔应用前景。然而，目前气枕结构分析方法较少考虑动态荷载下内压耦合和材料非线性，由此导致设计安全性存在问题。针对内压动态耦合和率相关非线性特性，本项目基于气体热力学和高聚物黏弹性理论，建立气枕内压动态耦合模型和材料率相关非线性应力-应变本构模型，构建气枕动态荷载响应结构分析方法，揭示ETFE气枕在动态荷载作用下内压耦合与结构响应的内在作用机理；提出基于线性调整和连续介质力学理论的膜面应力、应变分布计算分析方法，研制先进动态荷载试验装置，进行单轴、双轴、多轴材料拉伸试验和非线性本构模型参数表征，完成气枕动态荷载响应试验与数值模拟分析，研究ETFE气枕在动态荷载作用下的非线性结构力学行为。研究成果将为气枕主动控制和安全设计提供指导依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。

ETFE气枕是一种新型膜结构，由内部气体支承膜面形态与维持刚度，广泛应用于体育场馆、温室、展览馆、交通枢纽、购物中心等大型工程。然而，目前结构分析方法较少考虑动态荷载下内压耦合和材料非线性，由此导致安全性存在问题。. 针对ETFE薄膜非线性力学性能与本构模型的研究内容，提出了基于矩阵加载和摄影测量的长期徐变试验方法，解决了难测试问题；提出了基于能量法的力学参数分析方法，确定了各项力学参数，为结构设计与成形分析提供理论依据；进行了完备的材料试验，考虑应变速率（1 ~1000%/min）、长期徐变（30天）、加载-徐变-卸载-恢复等，建立了率相关和时变非线性本构模型，揭示了ETFE薄膜非线性力学行为与机理。. 针对充气膜结构智能控制和非接触测量分析方法的研究内容，提出了基于逻辑算法的内压智能控制方法，克服了控制精度不足的问题；提出了基于压差的风荷载模拟方法，克服了不均匀、无法极限加载等问题；提出了基于多机位摄影测量的膜面动态外形测量方法，克服了结构二次变形的问题；提出了基于找力分析的膜面三维应力分布测量分析方法，克服了对应变测量的依赖；提出了基于常应变三角形单元的膜面三维应变分布测量分析方法，克服了刚度变化和离散点测量的问题，揭示了充气膜结构的非线性力学特性。. 针对ETFE气枕结构设计方法与非线性响应分析的研究内容，提出了基于平面裁切和材料非线性的成形设计方法全过程状态和力学模型，揭示了内在力学机理；提出了基于外形测量的有限元建模与数值分析方法，为长期服役安全评估提供有效的理论与分析方法；对正方形和正三角形气枕结构模型，进行了充气成形和动态荷载响应试验，研究了动态荷载作用下的结构响应与力学行为；建立了气枕内压动态耦合分析模型，完成了数值分析，揭示了气枕动态荷载响应结构力学行为与机理。. 通过项目研究，为国内外膜结构公司相关工程项目提供重要的理论指导依据，部分研究成果被行业相关规程修订所采纳，促进ETFE气枕工程应用，推进膜结构行业技术发展。