ETFE氣枕曲面粘塑性成形方法研究

ETFE 氣枕曲面粘塑性成形方法利用 ETFE 薄膜自身優(yōu)異的粘塑性變形性能形成氣枕曲面，大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)氣枕制作過程中的裁剪與焊接工藝，提高了材料利用率，然而該方法的系統(tǒng)研究還未展開。本項(xiàng)目首先進(jìn)行不同溫度不同拉伸速率下 ETFE 薄膜材料單軸力學(xué)特性試驗(yàn)研究、雙軸拉伸試驗(yàn)、氣泡試驗(yàn)以及不同應(yīng)力下的ETFE薄膜材料的單雙軸徐變?cè)囼?yàn)研究，得到ETFE薄膜在不同條件下的材料力學(xué)性能，并基于材性試驗(yàn)結(jié)果提出 ETFE 薄膜材料的粘彈塑性本構(gòu)模型和ETFE薄膜材料的單軸和雙軸徐變模型。提出了 ETFE 氣枕曲面粘塑性成形關(guān)鍵技術(shù)以及成形過程的非線性有限元分析方法，通過數(shù)值分析確定成形后氣枕形狀，得到成形過程所需的內(nèi)壓值、加壓時(shí)間等參數(shù)。對(duì)成形后的氣枕進(jìn)行循環(huán)充泄氣加載分析和堆載分析， 研究了粘塑性成形過程對(duì)氣枕受力性能的影響，考察了與傳統(tǒng)裁剪氣枕結(jié)構(gòu)性能的異同。完成圓形、三角形、直角梯形三種形狀共十幾個(gè)氣枕模型的成形試驗(yàn)以及相應(yīng)的成形后加載試驗(yàn)，驗(yàn)證并優(yōu)化了成形參數(shù)。本項(xiàng)目的成果為 ETFE 氣枕曲面粘塑性成形方法的推廣與應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

ETFE氣枕曲面粘塑性成形方法是一種區(qū)別于傳統(tǒng)裁剪拼接的膜結(jié)構(gòu)加工制作方法，它利用ETFE薄膜自身優(yōu)異的粘塑性變形性能形成氣枕曲面，大大簡(jiǎn)化了裁剪與焊接工藝，提高了材料利用率,然而該方法的系統(tǒng)研究還未展開。本項(xiàng)目首先對(duì)高應(yīng)力下ETFE薄膜材料力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到經(jīng)歷粘塑性成形后的材料力學(xué)性能，并基于材性試驗(yàn)結(jié)果提出高應(yīng)力下ETFE薄膜材料的粘彈塑性本構(gòu)模型。提出ETFE氣枕曲面粘塑性成形關(guān)鍵工藝以及成形過程非線性有限元分析方法，通過數(shù)值分析確定成形后氣枕形狀及應(yīng)力分布，得到成形過程所需的內(nèi)壓值、加壓時(shí)間等工藝參數(shù)。對(duì)成形后的氣枕進(jìn)行受載分析，特別考慮粘塑性成形氣枕應(yīng)力不均勻?qū)Y(jié)構(gòu)承載力的影響。完成三種形狀的氣枕模型粘塑性成形試驗(yàn)，驗(yàn)證并優(yōu)化粘塑性成形關(guān)鍵步驟及成形工藝參數(shù)，進(jìn)行加載及充氣加壓試驗(yàn)檢驗(yàn)成形氣枕的承載能力。本項(xiàng)目為ETFE氣枕曲面粘塑性成形方法的推廣應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

PV-ETFE氣枕建筑是低耗能、可持續(xù)和對(duì)環(huán)境友好的光伏一體化建筑。由于PV（太陽(yáng)能電池）的動(dòng)態(tài)光熱效應(yīng)顯著改變ETFE薄膜力學(xué)特性、氣枕熱環(huán)境和熱結(jié)構(gòu)特性，既有ETFE薄膜力學(xué)模型與結(jié)構(gòu)分析方法不適宜分析PV-ETFE氣枕結(jié)構(gòu)特性。針對(duì)PV-ETFE氣枕體系的共性和特殊問題，本項(xiàng)目將研究光熱作用下氣枕的動(dòng)態(tài)性能和求解方法，包括：通過ETFE薄膜的DMA試驗(yàn)和高溫徐變?cè)囼?yàn)，分析ETFE薄膜熱-力學(xué)性能與時(shí)溫等效性能；考慮PV光熱效應(yīng)的動(dòng)態(tài)作用，建立氣枕熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模型；提出基于熱-流-結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)構(gòu)特性分析方法，進(jìn)行氣枕模型試驗(yàn)驗(yàn)證理論和方法的正確性。本項(xiàng)目瞄準(zhǔn)該領(lǐng)域國(guó)際前沿，旨在揭示材料熱-力學(xué)性能、熱荷載分布和結(jié)構(gòu)特性的內(nèi)在作用機(jī)理，掌握PV-ETFE氣枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析理論方法，促進(jìn)PV-ETFE氣枕發(fā)展應(yīng)用。

太陽(yáng)能電池（Photovoltaics，PV）與ETFE氣枕結(jié)構(gòu)結(jié)合的建筑是低耗能、可持續(xù)和環(huán)境友好的光伏一體化建筑結(jié)構(gòu)。利用PV光電光熱性能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能，電能供建筑使用而熱能用于改善建筑熱性能，進(jìn)而形成綠色可持續(xù)膜建筑，從建筑角度改善能源短缺和環(huán)境污染。PV動(dòng)態(tài)光熱效應(yīng)顯著改變ETFE薄膜力學(xué)特性、氣枕熱環(huán)境和熱結(jié)構(gòu)性能。因此，既有ETFE薄膜力學(xué)模型與結(jié)構(gòu)分析方法不適宜計(jì)算PV-ETFE氣枕建筑及結(jié)構(gòu)性能。本項(xiàng)目以PV-ETFE氣枕建筑存在的共性和關(guān)鍵科學(xué)問題為核心，針對(duì)三個(gè)主要方面：光熱作用下氣枕熱環(huán)境動(dòng)態(tài)變化機(jī)理及其模型；熱-流-結(jié)構(gòu)作用PV-ETFE氣枕力學(xué)特性；典型天氣下PV-ETFE氣枕建筑系統(tǒng)性能研究。分析了ETFE薄膜熱-力學(xué)和高溫徐變性能、建立了PV-ETFE氣枕熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模型、提出了PV-ETFE氣枕結(jié)構(gòu)的非線性分析方法等，旨在揭示材料熱-力學(xué)性能、熱荷載分布和結(jié)構(gòu)性能的內(nèi)在聯(lián)系，為PV-ETFE氣枕結(jié)構(gòu)計(jì)算提供準(zhǔn)確可靠的解決方法。本項(xiàng)目取得的主要研究進(jìn)展、重要結(jié)果、關(guān)鍵數(shù)據(jù)等概括如下。通過分析ETFE氣枕建筑內(nèi)空氣溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)等，建立了ETFE氣枕建筑熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模型，為氣枕結(jié)構(gòu)力學(xué)分析提供荷載基礎(chǔ)；基于ETFE薄膜熱-力學(xué)性能和高溫徐變性能，發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了材料時(shí)間溫度等效特性，分析了PV-ETFE氣枕結(jié)構(gòu)力學(xué)；改造了已有氣枕屋頂模型，基于三維全景方法測(cè)量的氣枕形狀計(jì)算了結(jié)構(gòu)真實(shí)的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)；通過對(duì)比試驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果，驗(yàn)證了所提出方法的正確性。解決了PV-ETFE氣枕熱環(huán)境動(dòng)態(tài)作用機(jī)理和熱-流-結(jié)構(gòu)耦合作用兩個(gè)關(guān)鍵問題。其科學(xué)意義或應(yīng)用前景為建立了考慮光熱作用和ETFE熱-力學(xué)特性的PV-ETFE氣枕結(jié)構(gòu)的非線性分析理論，掌握了平面氣枕彈塑性機(jī)理及其快速成形技術(shù)。該理論和技術(shù)將促進(jìn)PV-ETFE氣枕建筑結(jié)構(gòu)在體育館、航站樓、溫室等大跨空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

前 言

金屬塑性成形就是利用金屬的塑性，在工具及模具的外力作用下來(lái)加工制件的少切削或無(wú)切削的工藝方法。由于工藝本身的特點(diǎn)，它雖然有很長(zhǎng)的發(fā)展歷史卻又在不斷的研究和創(chuàng)新之中，新工藝、新方法層出不窮。這些研究和創(chuàng)新的基本目的不外乎增加材料塑性、提高成形零件的精度及性能、降低變形力、增加模具使用壽命和節(jié)約能源等。而“塑性成形原理”正是實(shí)現(xiàn)這些目的的基礎(chǔ)理論知識(shí)；學(xué)習(xí)該課程的先修課程主要是“材料力學(xué)”和“金屬學(xué)”。

本書以編者多年從事該門學(xué)科的教學(xué)和科研為基礎(chǔ)，結(jié)合學(xué)科的新近研究成果并參考有關(guān)教材編寫而成。全書共分5章，另有緒論和附錄。主要內(nèi)容介紹如下：在緒論中講述了金屬塑性成形的特點(diǎn)及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用，金屬塑性加工的分類，金屬塑性成形原理課程的目的和任務(wù)，金屬塑性成形理論的發(fā)展概況；第1章講述金屬塑性成形的物理基礎(chǔ)；第2章在介紹塑性成形過程中應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、屈服條件及應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系的同時(shí)，還對(duì)摩擦和潤(rùn)滑做了較詳細(xì)的介紹；第3章主要介紹主應(yīng)力法和工程計(jì)算法的基本原理和解題步驟；第4章對(duì)滑移線場(chǎng)理論做了較為詳細(xì)的論述，并結(jié)合實(shí)例介紹滑移線法的應(yīng)用；第5章在介紹界限法基本概念的基礎(chǔ)上，著重闡述上限原理及其應(yīng)用。為滿足教學(xué)及自學(xué)讀者自測(cè)的需要，每章都有習(xí)題和思考題，書末還附有金屬塑性成形原理實(shí)驗(yàn)選編及部分該課程碩士研究生入學(xué)試題選編。本書主要作為普通高等院校及大專院校相關(guān)專業(yè)及模具設(shè)計(jì)制造培訓(xùn)班的教材，也可供工廠企業(yè)、科研單位的工程技術(shù)人員參考。

本書緒論及第1章、第2章由閆洪教授編寫，第3章、第4章、第5章及附錄由周天瑞教授編寫。本書由南昌航空工業(yè)學(xué)院王高潮教授主審。在編寫過程中，得到了南昌大學(xué)楊雪春、邱映輝等教授的支持和幫助，在此深表感謝！

由于編者水平所限，書中的錯(cuò)誤和疏漏之處在所難免，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

編 者