拉伸作用下薄膜褶皱影响因素数值分析

摘要

薄膜因其质轻、折叠体积小及力学性能良好等优点，在航空航天领域扮演着重要的角色。但薄膜属于柔性材料，由于其厚度小、抗弯刚度小，在外部载荷较大时极易出现局部屈曲现象，从而产生褶皱。褶皱是影响空间薄膜结构性能的重要因素之一，因此研究薄膜褶皱特性及其抑制方法对薄膜结构在航空航天等领域的应用至关重要。本文主要研究薄膜的结构参数及边界条件对薄膜褶皱特性的影响。针对拉伸作用下的方形薄膜结构，采用显式动力法对该结构进行了褶皱仿真分析，并将其仿真结果与理论计算结果进行对比，验证了仿真模型和分析结果的正确性。为了探究拉力作用下褶皱特性的变化规律，以方形薄膜为研究对象，分析了薄膜长宽比、内角、夹持宽度等结构参数和边索结构对褶皱特性及变形的影响规律。结果表明：当薄膜长宽比由1.0增加至1.5时，薄膜的面外变形增大，且褶皱分布区域扩大。当薄膜中内角小于75°时，褶皱主要分布于薄膜两边夹角为锐角的角区域。此外，增大薄膜夹持宽度和增加边索结构均可有效抑制褶皱的发生。为了进一步验证分析结果，进行了不同夹持宽度下的褶皱测试，通过褶皱数量和幅值变化的趋势分析，以及与仿真结果的对比，证明了仿真模型的正确性，为薄膜结构的张拉分析提供了一定的理论依据。

关键词

方形薄膜 / 显式动力法 / 褶皱特性 / 面外变形

基金资助

国家自然科学基金重点项目（51835002）; 山西省应用基础研究计划面上青年基金项目（201901D211010）; 山西省高等学校科技创新项目（2019L0177）