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硕士学位论文

充气膜结构的褶皱及振动特性研究
WRINKLING AND VIBRATION STUDIES ON
INFLATABLE MEMBRANE STRUCTURES


谢军








哈尔滨工业大学
2012 年 7 月
国内图书分类号:V 学校代码:10213
UDC:621 密级:公开


硕士学位论文

充气膜结构的褶皱及振动特性研究










硕士研究生: 谢军
导师:王长国副教授
申请学位级别: 工学硕士
学科、专业: 工程力学
所在单位: 复合材料与结构研究所
答辩日期: 2012年7月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: V
: 621



Dissertation for the Master Degree in Engineering



WRINKLING AND VIBRATION STUDIES ON
INFLATABLE MEMBRANE STRUCTURES









Candidate: Xie Jun
Supervisor: Associate Changguo
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Engineering Mechanics
Affiliation: Center posite Materials
Date of Defence: July, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
充气膜结构的厚度在微米量级,且在充气之前多处于折叠状态,在工作中
极易产生褶皱和振动现象。褶皱是充气膜结构的主要缺陷,会使其承载力和形
面精度下降;振动会影响充气结构的使用功能,共振可能导致整个结构的完全
失效。开展充气膜结构的褶皱及振动特性研究对充气膜结构的褶皱发生扩展规
律预报、承载能力分析及振动控制具有重要的指导意义。
针对充气拱这个典型的充气膜结构单元,建立了标准充气拱有限元模型,
对其褶皱发生、扩展规律及承载特性进行了数值模拟,考察了充气压力、载荷
工况、截面半径和材料厚度对起皱力、起皱位置及承载力的影响。设计了薄膜
充气拱弯曲实验装置,开展了薄膜充气拱弯皱实验,对数值模拟结果进行了验
证。
在褶皱特性分析的基础上,对标准薄膜充气拱模型进行了预应力模态分析
和谐响应分析,获得了其前 10 阶固有频率、振型及频率幅值响应曲线。采用控
制变量法考察了充气压力、截面半径和材料厚度对固有频率和振型的影响,分
析了充气拱的结构参数和激励参数对频率幅值响应的影响。将褶皱参数引入到
模型中,对比了有无褶皱状态下的振动特性,进而分析了褶皱程度和位置对固
有频率、振型及频率幅值响应的影响。
基于充气拱的褶皱及振动分析方法,对充气机翼及软式飞艇结构进行了弯
曲及振动特性分析。对标准充气机翼进行了弯曲、模态和谐响应数值分析,获
得了充气压力、翼展和褶皱参数对充气机翼的承载特性、各阶固有频率及频率
幅值响应的影响。对软式飞艇结构进行了弯曲和振动有限元分析,获得了该飞
艇模型的抗弯刚度、前 10 阶振型和固有频率及两种典型激励作用下的频率幅值
曲线。
本文对充气拱的褶皱发生拓展规律、承载特性、振动特性及褶皱对振动的
影响进行了研究,并将其扩展应用到充气机翼和飞艇的褶皱及振动分析中,研
究结果可以为充气膜结构的承载特性预报、褶皱发生规律探索及振动控制提供
参考。

关键词:膜结构;充气拱;充气机翼;软式飞艇;褶皱;振动
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
The thickness of the membrane structure is in microns. Owing to the membrane
structure is always folded before inflation, wrinkles and vibration are easy to happen
in the process of operation. Wrinkles which are the m