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Stretch-induced stress patterns and wrinkles in hyperelastic thin sheets

材料科学 超弹性材料 屈曲 复合材料 皱纹 极限抗拉强度 有限元法 压力(语言学) 纵横比(航空) 横截面 结构工程 工程类 语言学 哲学
作者
Vishal Nayyar,K. Ravi‐Chandar,Rui Huang
出处
期刊:International Journal of Solids and Structures [Elsevier]
卷期号:48 (25-26): 3471-3483 被引量:107
标识
DOI:10.1016/j.ijsolstr.2011.09.004
摘要

Wrinkles are commonly observed in stretched thin sheets and membranes. This paper presents a numerical study on stretch-induced wrinkling of hyperelastic thin sheets based on nonlinear finite element analyses. The model problem is set up for uniaxial stretching of a rectangular sheet with two clamped ends and two free edges. A two-dimensional stress analysis is performed first under the plane-stress condition to determine stretch-induced stress distribution patterns in the elastic sheets, assuming no wrinkles. As a prerequisite for wrinkling, development of compressive stresses in the transverse direction is found to depend on both the length-to-width aspect ratio of the sheet and the applied tensile strain in the longitudinal direction. A phase diagram is constructed with four different distribution patterns of the stretch-induced compressive stresses, spanning a wide range of aspect ratio and tensile strain. Next, an eigenvalue analysis is performed to find the potential buckling modes of the elastic sheet under the prescribed boundary conditions. Finally, a nonlinear post-buckling analysis is performed to show evolution of stretch-induced wrinkles. In addition to the aspect ratio and tensile strain, it is found that the critical condition for wrinkling and the post-buckling behavior both depend sensitively on the sheet thickness. In general, wrinkles form only when both the magnitude and the distribution area of the compressive stresses are sufficiently large. The wrinkle wavelength decreases with increasing strain, in good agreement with the prediction by a scaling analysis. However, as the tensile strain increases, the wrinkle amplitude first increases and then decreases, eventually flattened beyond a moderately large critical strain, in contrast to the scaling analysis.

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