考虑气-膜耦合作用的充气膜有限元模型及其褶皱分析

Behaviors of an air-supported/inflated membrane under load present prominent air-membrane interaction. However, present air-supproted/inflated membrane element models are unable to accurately reflect the air-membrane interaction with the deficiency of the numerical stability and accuracy in the wrinkling analysis. In the project, the coupled constraints on the air-membrane interface is localized to remove the fluid-solid cross term degenerating the numerical stability and accuracy by introducing the localized Lagrange multipliers into the fluid and structure potential functional, and a new air supported/inflated membrane element model, considering both the air-membrane interaction and wrinkling influence, is derived. Meanwhile, air-inflated membranes made of Kapton and ETFE are experimentally studied. Results obtained experimentally and in the literature are compared with those derived from the proposed air supported/inflated membrane element model for its verification and improvement. With the proposed and verified model, air supported/inflated membrane structures under static and dynamic loads are analyzed to explore their behaviors influenced by the air-membrane interaction, wrinkling deformation, air pressure, geometric and physical parameters, and boundary conditions.

充气膜结构在荷载作用下的力学行为表现出显著的內充气体和外围薄膜的耦合作用，但目前的充气膜有限元模型不能准确反映气膜相互作用；应用于褶皱分析时数值稳定性差、计算精度低。本项目拟基于局部拉格朗日乘子法，通过将气-膜界面耦合约束本地化，去除影响数值稳定和求解精度的流固交叉项，并结合申请人提出的褶皱分析模型，建立考虑气-膜耦合作用和褶皱影响的充气膜有限元模型以解决上述难题。同时，对Kapton和ETFE充气膜进行静、动力试验，研究其力学特性。通过与试验结果和文献结果对比分析，验证并改进充气膜模型。采用通过正确性验证的充气膜模型，对充气膜结构进行褶皱分析，研究其在静、动力荷载作用下，气-膜相互作用、褶皱变形、初始气压、几何和物理参数以及边界条件等因素对充气膜力学行为的影响。

充气膜由于质量轻、折叠体积小、展开便捷，广泛应用于土木工程的大跨建筑结构以及航空航天领域的空间可展结构。充气膜属于柔性结构，通过內充气压使外围薄膜产生预张应力而获得刚度和承载力。充气膜的变形会引起内充气体体积和内压变化，使得膜面张力发生改变，进而影响其变形行为，表现出典型的内充气压与外围薄膜变形相互影响的耦合特性。另一方面，外围薄膜抗弯刚度小，出现压应力时易发生局部屈曲而形成褶皱，褶皱变形使薄膜在垂直于褶皱方向的刚度和应力几乎为零，力学性能发生根本改变。本项目采用试验与有限元相结合的方法，研究气-膜耦合作用和褶皱变形对充气膜力学行为的影响，探究气-膜耦合作用规律、內充气体作用机理以及褶皱变形特征，掌握充气膜的静、动力特性以及风致动力响应和风-膜流固耦合作用规律。.通过研究薄膜的褶皱变形及其影响因素，揭示了褶皱变形机理和褶皱变形特征，掌握了褶皱变形对薄膜静、动力特性以及风致响应的影响规律；通过对考虑外围薄膜褶皱变形的充气膜进行有限元分析，揭示了褶皱变形对充气膜静、动力行为的影响规律；通过将不同内充气体等效模型的分析结果进行对比，揭示了內充气体的作用特点和气-膜耦合作用机理，掌握了內充气体作用、气-膜耦合作用对充气膜静、动力特性的影响规律，建立了考虑內充气体作用和气-膜耦合影响的简化方法，并探究了其计算精度随参数的变化情况；基于拉普拉斯方程，并结合有限元分析，揭示了流场的扰动速度分布和附加质量分布对风-充气膜流固耦合作用的影响规律，建立了相应的附加质量计算方法，并探究了其计算精度随参数的变化规律。.本项目的研究成果有助于深入认识充气膜的力学性能，掌握充气膜的风致动力响应规律，确保充气膜的设计计算合理性和精确性以及工程应用的可靠性。