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充气薄膜结构褶皱分析的互补共旋有限元方法

充气薄膜，褶皱，大变形，互补，共旋方法

结构优化与结构行为分析 > 结构力学行为分析

柔性薄膜因其轻质、可折叠和易展开等优点被广泛应用于航天工程领域，如太阳能电池翼、太阳帆和充气式反射天线等。然而，薄膜结构中经常产生褶皱变形，这是我们所不期望的。基于大变形理论和材料修正方法，本文提出了一种适用于充气薄膜结构褶皱行为分析的互补计算框架。采用共旋有限元方法对几何非线性和材料非线性进行离散。在程序总体框架中，利用共旋膜理论进行线性化，并采用Newton-Raphson迭代法求解增量平衡方程。在程序局部框架中，根据主应力空间中双模量材料本构关系建立了褶皱分析模型。求解了单元内力计算的线性互补问题，大幅提高了数值收敛性和稳定性。与拟动态法和“两步法”等求解方法相比，该方法不需要额外的技术来保证收敛性。通过标准测试验证了模型和方法的有效性。对起皱预测与褶皱控制进行了数值研究，与已有的实验结果吻合较好。