膜結(jié)構(gòu)找形分析與裁剪分析.pdf

1、膜結(jié)構(gòu)是一種新穎的空間結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計(jì)方法不同于普通的結(jié)構(gòu)形式，分為找形分析、荷載分析和膜面裁剪三個基本過程。而找形和裁剪分析一直是其中的研究重點(diǎn)。找形分析是為了得到膜結(jié)構(gòu)的初始平衡曲面，裁剪分析則是給出膜結(jié)構(gòu)成形后在平面中所對應(yīng)的裁剪膜片。本文針對找形分析中的力密度法和動力松弛法以及膜面裁剪后形成的裁剪片質(zhì)量進(jìn)行分析，主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 1．力密度法在膜結(jié)構(gòu)找形中的應(yīng)用。對力密度法的找形過程進(jìn)行改進(jìn)，避開其中“力密度”的

2、概念，直接引入膜面應(yīng)力和索拉力作為初始條件，以節(jié)點(diǎn)不平衡力作為控制誤差，使找形計(jì)算過程簡潔高效。改進(jìn)后的算法精度高，穩(wěn)定性良好。無論是經(jīng)典算例還是大型實(shí)際工程，無論是剛性邊界還是柔性邊界，均能得出理想的找形結(jié)果。 2．動力松弛法在膜面找形中的應(yīng)用。對動力松弛法中阻尼參數(shù)的取值問題提出了簡便的計(jì)算方法，通過算例分析，證實(shí)了提出的阻尼計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)的臨界阻尼相接近。針對建筑師對膜面造型的變化要求，對動力松弛法進(jìn)行改進(jìn)。本文通過對典型

3、馬鞍面的輪廓分析，以改變膜曲面造型為目標(biāo)，通過引入函數(shù)f(L)=(d/L)<'α>修正了動力松弛法中節(jié)點(diǎn)剛度的取值。改進(jìn)后的動力松弛法可以依據(jù)不同的初始假定形狀以及調(diào)整參數(shù)α來得到不同的不等應(yīng)力膜面，大大擴(kuò)展了經(jīng)典動力松弛法的適用范圍。 3．利用AutoCAD中的0bjectARX平臺，使用C++語言，編制索膜結(jié)構(gòu)找形程序。通過算例，對前述兩種算法在計(jì)算精度、計(jì)算時間以及收斂性進(jìn)行對比，驗(yàn)證了上述算法的穩(wěn)定性、正確性、適用性。動

4、力松弛法和力密度法相比，計(jì)算精度要略低，但是同樣可以滿足工程需要。由于力密度法需要計(jì)算線性方程組，其計(jì)算時間隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而急劇增長，而動力松弛法的計(jì)算費(fèi)時則是和節(jié)點(diǎn)數(shù)成比例關(guān)系。因此，在小型工程中，力密度法的計(jì)算速度要遠(yuǎn)高于動力松弛法；而在大型工程中則相反。 4．改進(jìn)傳統(tǒng)的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，即加入膜結(jié)構(gòu)縫合后模擬成形的過程。利用非線性有限元理論，將設(shè)計(jì)完成的膜結(jié)構(gòu)仿真成形，從理論上檢驗(yàn)裁剪膜片仿真成形后的應(yīng)力狀態(tài)，提出了裁剪膜

5、片的質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。對常見的馬鞍形膜面和傘形膜面進(jìn)行仿真成形分析，發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)膜結(jié)構(gòu)中，膜片的中部應(yīng)力要小于其邊緣縫合處的應(yīng)力值，特別是在結(jié)構(gòu)曲率變化較大時，其差值更大。結(jié)構(gòu)角點(diǎn)處的應(yīng)力變化較大。因此，在曲率變化大的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)該重點(diǎn)注意單個膜片中部和結(jié)構(gòu)角點(diǎn)處，這些部位容易出現(xiàn)褶皺。當(dāng)結(jié)構(gòu)曲率比較大時，幅寬對結(jié)構(gòu)的成形質(zhì)量有很大的影響，應(yīng)盡量采用小幅寬的膜材，以提高膜結(jié)構(gòu)的成形質(zhì)量。當(dāng)結(jié)構(gòu)曲率比較小時(如傘形膜面)，可以采用大幅寬的膜材，