二維薄膜材料,如用于航天大型結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺膜和用于納米電子的石墨烯薄膜,在應(yīng)用時對表面精度要求嚴(yán)格。二維薄膜結(jié)構(gòu)面外剛度小,易在拉伸作用下面外失穩(wěn)產(chǎn)生褶皺,從而影響薄膜結(jié)構(gòu)的表面光滑度、電學(xué)性能和力學(xué)性能等,進(jìn)一步限制其相關(guān)應(yīng)用。因此,對于探索薄膜結(jié)構(gòu)起皺的機理以及對抑制薄膜結(jié)構(gòu)受拉產(chǎn)生褶皺問題的研究具有重要的研究意義和應(yīng)用背景。本文的具體工作如下:1.對矩形受拉的薄膜進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析,以薄膜結(jié)構(gòu)剛度最大化為優(yōu)化目標(biāo),以薄膜結(jié)構(gòu)為優(yōu)化設(shè)計可行域,以薄膜單元密度為優(yōu)化設(shè)計變量,以薄膜結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)最小主應(yīng)力大于0為優(yōu)化約束,提出最小主應(yīng)力全為正的最優(yōu)設(shè)計結(jié)構(gòu)。基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,我們提出采用橢圓形狀自由邊抑制拉伸引起褶皺的預(yù)頸縮策略。預(yù)頸縮策略有利于數(shù)字化CAD實現(xiàn)。同時,預(yù)頸縮策略構(gòu)型在較小面積損失的同時,能夠滿足薄膜形狀精度要求。預(yù)頸縮策略僅對薄膜結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行修改,易于實現(xiàn),無需輔助結(jié)構(gòu)和額外控制,投入成本低,可操作性強且能夠滿足苛刻的薄膜表面光滑度要求。2.經(jīng)過有限元分析對帶硬塊薄膜拉伸誘導(dǎo)起皺和抑制起皺的機理進(jìn)行定量與定性闡述。對于帶硬塊薄膜,泊松效應(yīng)和縱向受拉固定邊約束對褶皺幅值的綜合效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)隨著拉伸應(yīng)變的增大,褶皺的最大幅值A(chǔ)_(max)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢;小變形載荷下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)部區(qū)域褶皺在大變形下將消失。建立拓?fù)鋬?yōu)化模型,對帶硬塊矩形薄膜拉伸誘導(dǎo)起皺行為進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。給出帶硬塊薄膜褶皺抑制優(yōu)化設(shè)計方案,得到無皺矩形帶硬塊薄膜。對于帶硬塊薄膜優(yōu)化設(shè)計方案,硬塊區(qū)和固支邊附近的空隙隔絕應(yīng)力、限制了硬塊區(qū)域和固支邊的影響而且分別抑制了硬塊區(qū)域和固支邊褶皺的產(chǎn)生。3.有限元分析和物理實驗對四角拉伸薄膜起皺進(jìn)行定量分析,簡述其起皺機理。使用python語言對四角拉伸薄膜結(jié)構(gòu)編程建模進(jìn)行有限元分析,以結(jié)構(gòu)最小的面內(nèi)最小主應(yīng)力min(σ_(min))作為目標(biāo)函數(shù),使用B-Spline曲線擬合結(jié)構(gòu)邊界作為初始輪廓位置,以擬合點坐標(biāo)(X_(free),Y_(free))為設(shè)計變量,以最優(yōu)無皺四角拉伸薄膜構(gòu)型面積與初始四角拉伸薄膜面積之間關(guān)系建立約束函數(shù),基于遺傳算法對對稱荷載下的四角拉伸薄膜進(jìn)行形狀優(yōu)化尋求其無皺設(shè)計構(gòu)型。對優(yōu)化構(gòu)型進(jìn)行有限元模擬和物理實驗驗證其無皺性能,得到對稱荷載下四角拉伸薄膜的無皺薄膜構(gòu)型。參數(shù)優(yōu)化的構(gòu)型特征易于使用CAD格式擬合描述,有利于直接應(yīng)用于工程實際。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.2

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本文編號：2818319