拉伸薄膜起皱和褶皱抑制优化设计

发布时间：2020-09-14 15:03

　　 二维薄膜材料,如用于航天大型结构的聚酰亚胺膜和用于纳米电子的石墨烯薄膜,在应用时对表面精度要求严格。二维薄膜结构面外刚度小,易在拉伸作用下面外失稳产生褶皱,从而影响薄膜结构的表面光滑度、电学性能和力学性能等,进一步限制其相关应用。因此,对于探索薄膜结构起皱的机理以及对抑制薄膜结构受拉产生褶皱问题的研究具有重要的研究意义和应用背景。本文的具体工作如下:1.对矩形受拉的薄膜进行拓扑优化分析,以薄膜结构刚度最大化为优化目标,以薄膜结构为优化设计可行域,以薄膜单元密度为优化设计变量,以薄膜结构单元面内最小主应力大于0为优化约束,提出最小主应力全为正的最优设计结构。基于拓扑优化结果,我们提出采用椭圆形状自由边抑制拉伸引起褶皱的预颈缩策略。预颈缩策略有利于数字化CAD实现。同时,预颈缩策略构型在较小面积损失的同时,能够满足薄膜形状精度要求。预颈缩策略仅对薄膜结构形状进行修改,易于实现,无需辅助结构和额外控制,投入成本低,可操作性强且能够满足苛刻的薄膜表面光滑度要求。2.经过有限元分析对带硬块薄膜拉伸诱导起皱和抑制起皱的机理进行定量与定性阐述。对于带硬块薄膜,泊松效应和纵向受拉固定边约束对褶皱幅值的综合效应导致结构随着拉伸应变的增大,褶皱的最大幅值A_(max)呈现先上升后下降的趋势;小变形载荷下产生结构内部区域褶皱在大变形下将消失。建立拓扑优化模型,对带硬块矩形薄膜拉伸诱导起皱行为进行优化设计。给出带硬块薄膜褶皱抑制优化设计方案,得到无皱矩形带硬块薄膜。对于带硬块薄膜优化设计方案,硬块区和固支边附近的空隙隔绝应力、限制了硬块区域和固支边的影响而且分别抑制了硬块区域和固支边褶皱的产生。3.有限元分析和物理实验对四角拉伸薄膜起皱进行定量分析,简述其起皱机理。使用python语言对四角拉伸薄膜结构编程建模进行有限元分析,以结构最小的面内最小主应力min(σ_(min))作为目标函数,使用B-Spline曲线拟合结构边界作为初始轮廓位置,以拟合点坐标(X_(free),Y_(free))为设计变量,以最优无皱四角拉伸薄膜构型面积与初始四角拉伸薄膜面积之间关系建立约束函数,基于遗传算法对对称荷载下的四角拉伸薄膜进行形状优化寻求其无皱设计构型。对优化构型进行有限元模拟和物理实验验证其无皱性能,得到对称荷载下四角拉伸薄膜的无皱薄膜构型。参数优化的构型特征易于使用CAD格式拟合描述,有利于直接应用于工程实际。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2

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本文编号：2818319