高速运动柔性薄膜系统的动态特性及稳定性研究

Flexible membrane materials have been widely used in the printing and packaging, information-energy and other fields. With the influence of material characteristics, tension, moving speed and supported conditions and so on, the tensioned membrane of high-speed presents the instability, such as divergence, flutter and ruffle, which has become a bottleneck problem that seriously restrict the stability of the high-precision membrane at high speed. The main research works are as follows: 1) The meshless method of the vibration analysis of the high-speed flexible membrane system is studied. 2) The dynamic behavior of the membrane system with the intermediate support and complex constraints is researched. 3) The nonlinear dynamical behavior of the membrane in case of variable speed, variable density and large deflection is researched. By means of theoretical analysis and experiments studies, the relation of the effect of the material characteristics, tension, moving speed and supported conditions on the membrane vibration complex frequency and the amplitude is found. It also determined the critical speed of the membrane divergence instability and flutter, and determined the stable work interval, and explored the mechanism of the transverse vibration and ruffle of the membrane. This will provide the theoretical basis for improving the working stability and efficiency of the high-precision membrane system. The project will extend the function of calculation analysis of the meshless method on the dynamic characteristics study in the moving membrane system, and improve the vibration theory of moving membrane. The research results have wide application prospects in the field of processing and further processing of high-precision membrane materials.

柔性薄膜材料广泛应用于印刷包装、信息能源等领域。处于高速运动状态的张紧薄膜，受材料特性、张力、速度与支承条件等因素的影响，易呈现发散、颤振或褶皱等不稳定现象，成为严重制约高精密薄膜传输稳定性的瓶颈问题。本项目拟研究：1）适用于高速运动柔性薄膜系统振动分析的无网格求解方法；2）从系统的角度出发，研究具有中间支承和复杂约束条件的薄膜系统的动态特性及稳定性；3）变速度、变密度和大挠度等复杂工况下薄膜的非线性动力学行为。实验研究与理论分析相结合，揭示薄膜的振动复频率和振幅随材料特性、张力、速度及支承条件变化的规律，确定薄膜发散或颤振失稳的临界速度，探索薄膜横向振动和褶皱产生的机理，为提高高精密薄膜系统的工作稳定性及振动控制提供理论基础。该研究将拓展无网格法在运动薄膜动力特性研究中的计算分析功能，完善运动柔性薄膜的振动研究理论。研究成果在高精密薄膜材料制备及深加工领域有着广阔的应用前景。

柔性薄膜材料广泛应用于印刷包装、信息能源等领域。处于高速运动状态的张紧薄膜，受材料特性、张力、速度与支承条件等因素的影响，易呈现发散、颤振或褶皱等不稳定现象，成为严重制约高精密薄膜传输稳定性的瓶颈问题。本项目研究了如下主要内容：1）适用于高速运动柔性薄膜系统振动分析的无网格求解方法；2）研究具有中间支承和复杂约束条件的具有中间刚性支承运动薄膜的动态特性及稳定性、具有中间弹性支承运动薄膜的横向振动特性；研究了具有弹性约束边界条件运动薄膜的振动特性，具体为三边固支、一边具有弹性约束边界条件的运动薄膜振动特性，以及对边自由、左边固支右边具有弹性约束边界条件的运动薄膜振动特性；3）变速度、变密度薄膜的动力学行为。对于变密度印刷运动薄膜，建立其横向振动微分方程，采用微分求积法进行计算求解，得到了前三阶无量纲振动频率与无量纲运动速度、密度系数、薄膜张力比之间的关系；变速运动的印刷薄膜，建立了运动速度为平均速度与简谐速度的叠加时变速运动薄膜的横向振动微分方程，应用微分求积法对微分方程的中间变量进行离散，得到含有周期系数的状态方程，采用隐式Runge-Kutta法进行求解。4）设计制造了运动薄膜振动试验平台，搭建试验测试系统，实验研究与理论分析相结合，揭示薄膜的振动复频率和振幅随材料特性、张力、速度及支承条件变化的规律，确定薄膜发散或颤振失稳的临界速度，为提高高精密薄膜系统的工作稳定性及振动控制提供理论基础。该研究将拓展无网格法在运动薄膜动力特性研究中的计算分析功能，完善运动柔性薄膜的振动研究理论。. 课题研究四年，发表了期刊论文27篇，其中被 SCI 检索9篇； EI检索9篇；参加学术会议10次，其中EI检索8篇。. 2013年2月至8月，第二完成人在美国University of South Carolina 访问交流；2014年2月至8月，主要完成人马利娥在德国斯图加特媒介大学访问交流；2015年11月，项目负责人武吉梅和主要完成人马利娥在台湾参加印刷包装国际学术会议，与台湾国立艺术大学和世新大学进行了学术交流；2016年5月至6月，项目负责人武吉梅和主要完成人武秋敏、马利娥在德国参加印刷技术国际交流会；随从力作用下运动粘弹性动力学研究，获得陕西省教育厅科技二等奖。已经出版著作2部，第3部著作在国家轻工业出版社正出版中。获批明国家专利4项。