索膜結(jié)構(gòu)設計方法研究.pdf

1、索膜結(jié)構(gòu)的設計過程可以分為三個階段.第一階段是找形設計階段.即在建筑師給定預想的曲面形狀的前提下,找出與此曲面相接近的初始平衡狀態(tài)-初始張力的大小、分布和幾何形狀.第二階段是荷載分析階段,即找形分析獲得的曲面在各種可能荷載組合的作用下,求解其變形、位移、索膜內(nèi)力及判別薄膜是否有褶皺產(chǎn)生或索是否有松弛現(xiàn)象.第三階段是裁剪設計階段,其目的是將已經(jīng)通過荷載分析的三維膜曲面轉(zhuǎn)化成離散的平面膜片,在市售的薄膜卷材上進行下料分析,獲得可以施工的裁剪

2、下料圖.對于索膜找形分析,目前普遍常用的是非線形有限元法、動力松弛法和力密度法.但以上每一種方法都存在著缺陷.該文將動力松弛法和非線性有限元法合為一體,提出了全新的綜合設計法.此種方法比非線性有限元格式的精度有所提高,收斂速度也比動力松弛格式快得多.同時針對找形分析中的動力松弛格式,該文提出了全新的控制網(wǎng)格變形的動力松弛法,此方法能夠有效地解決膜結(jié)構(gòu)找形分析中網(wǎng)格的大變形問題,克服了在曲率較小處網(wǎng)格過于稀疏的缺陷,在曲率較小處保證了單元

3、的密度和初始構(gòu)形的精度,并且收斂性較好,為準確進行荷載分析和裁剪分析奠定了基礎.對于靜力分析,該文提出了全新的考慮膜材主軸方向的非線性有限元法.對雙曲形和傘形索膜結(jié)構(gòu),分別計算了索膜結(jié)構(gòu)在不同參數(shù)下的結(jié)構(gòu)響應,得到了各個參數(shù)對結(jié)構(gòu)靜力性能的影響,指出了膜材主軸方向在靜力分析中不可忽視.風荷載是設計中的控制荷載.該文針對封閉式薄膜結(jié)構(gòu)和敞開式薄膜結(jié)構(gòu)推導了全新的非線性流固耦合風振響應公式,其中耦合因素包括附加空氣質(zhì)量、氣承剛度和聲致阻尼以

4、及相對運動速度,并將此理論應用于一氣彈模型的計算,獲得了位移、速度、加速度時程以及加速度均方根.計算值同試驗結(jié)果吻合良好,證明了該方法的正確性.膜結(jié)構(gòu)的裁剪分析,主要包括裁剪線的確定、曲面的展開和張力釋放.對于裁剪線的確定,該章采用了曲面的最短線-測地線.根據(jù)最小勢能原理,詳細推導了全新的測地線生成的非線性有限單元法.對于曲面的展開,詳細推導了全新的基于彈簧-質(zhì)點系統(tǒng)的薄膜結(jié)構(gòu)曲面展開算法.同時,對曲面展開常用的非線性有限元法進行了研究