ETFE氣枕曲面粘塑性成形方法研究中文摘要

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。本項目首先對高應(yīng)力下ETFE薄膜材料力學(xué)特性進行試驗研究，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、加壓時間等工藝參數(shù)。對成形后的氣枕進行受載分析，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，驗證并優(yōu)化粘塑性成形關(guān)鍵步驟及成形工藝參數(shù)，進行加載及充氣加壓試驗檢驗成形氣枕的承載能力。本項目為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)。

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。本項目首先進行不同溫度不同拉伸速率下 ETFE 薄膜材料單軸力學(xué)特性試驗研究、雙軸拉伸試驗、氣泡試驗以及不同應(yīng)力下的ETFE薄膜材料的單雙軸徐變試驗研究，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、加壓時間等參數(shù)。對成形后的氣枕進行循環(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氣枕模型的成形試驗以及相應(yīng)的成形后加載試驗，驗證并優(yōu)化了成形參數(shù)。本項目的成果為 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)。

PV-ETFE氣枕建筑是低耗能、可持續(xù)和對環(huán)境友好的光伏一體化建筑。由于PV（太陽能電池）的動態(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PV-ETFE氣枕體系的共性和特殊問題，本項目將研究光熱作用下氣枕的動態(tài)性能和求解方法，包括：通過ETFE薄膜的DMA試驗和高溫徐變試驗，分析ETFE薄膜熱-力學(xué)性能與時溫等效性能；考慮PV光熱效應(yīng)的動態(tài)作用，建立氣枕熱環(huán)境動態(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，進行氣枕模型試驗驗證理論和方法的正確性。本項目瞄準(zhǔn)該領(lǐng)域國際前沿，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)在作用機理，掌握PV-ETFE氣枕結(jié)構(gòu)設(shè)計分析理論方法，促進PV-ETFE氣枕發(fā)展應(yīng)用。

太陽能電池（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)分析方法不適宜計算PV-ETFE氣枕建筑及結(jié)構(gòu)性能。本項目以PV-ETFE氣枕建筑存在的共性和關(guān)鍵科學(xué)問題為核心，針對三個主要方面：光熱作用下氣枕熱環(huán)境動態(tài)變化機理及其模型；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)計算提供準(zhǔn)確可靠的解決方法。本項目取得的主要研究進展、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)空氣溫度場和速度場等，建立了ETFE氣枕建筑熱環(huán)境動態(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)并驗證了材料時間溫度等效特性，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量的氣枕形狀計算了結(jié)構(gòu)真實的應(yīng)力場和應(yīng)變場；通過對比試驗和數(shù)值結(jié)果，驗證了所提出方法的正確性。解決了PV-ETFE氣枕熱環(huán)境動態(tài)作用機理和熱-流-結(jié)構(gòu)耦合作用兩個關(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理及其快速成形技術(shù)。該理論和技術(shù)將促進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加工制件的少切削或無切削的工藝方法。由于工藝本身的特點，它雖然有很長的發(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”正是實現(xiàn)這些目的的基礎(chǔ)理論知識；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及其在國民經(jīng)濟中的作用，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，還對摩擦和潤滑做了較詳細的介紹；第3章主要介紹主應(yīng)力法和工程計算法的基本原理和解題步驟；第4章對滑移線場理論做了較為詳細的論述，并結(jié)合實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驗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，書中的錯誤和疏漏之處在所難免，敬請讀者批評指正。

編 者