用ansys解決膜結構的初始形態(tài)問題

1、用ANSYS解決膜結構的初始形態(tài)問題解決膜結構的初始形態(tài)問題膜建筑是最近才發(fā)展起來的一種新型建筑結構，是空間結構的重要組成部分。膜結構的設計和傳統(tǒng)結構的設計有很大的差別，由于材料力學性能的差別，傳統(tǒng)的以磚、石、混凝土和鋼材為結構材料的結構體系，一旦結構被賦予初始建筑幾何位形，相應的結構力學模型便被同時確定，但是柔性的膜結構的結構組成材料本身沒有受壓性能，只能通過施加預應力，使膜獲得必要的張力剛度，從而形成抵抗外部載荷的結構抗力。膜建筑是

2、最近才發(fā)展起來的一種新型建筑結構，是空間結構的重要組成部分。膜結構的設計和傳統(tǒng)結構的設計有很大的差別，由于材料力學性能的差別，傳統(tǒng)的以磚、石、混凝土和鋼材為結構材料的結構體系，一旦結構被賦予初始建筑幾何位形，相應的結構力學模型便被同時確定，但是柔性的膜結構的結構組成材料本身沒有受壓性能，只能通過施加預應力，使膜獲得必要的張力剛度，從而形成抵抗外部載荷的結構抗力。也就是基于這一點，結構形態(tài)確定就成為膜建筑設計過程中一個很重要的環(huán)節(jié)。在給定

3、的邊界條件下，所施加的預應力的分布和大小與所形成的結構初始形態(tài)是相互聯(lián)系的，合理地確定這一初始形態(tài)和相應的自平衡預應力，就是膜結構的初始形態(tài)分析。由于膜材料的柔性特點，因此在不同的預應力分布、不同的膜預應力比例組合下便可以創(chuàng)造出不同的建筑形態(tài)，盡管建筑給定的控制邊界條件并沒有發(fā)生改變。因此，膜結構計算狀態(tài)具有不確定性。由于結構的大變形造成的幾何非線性使得結構的計算模型不可能像傳統(tǒng)結構那樣，以其成型狀態(tài)作為結構動靜力學計算的模型狀態(tài)，這種

4、結構工作狀態(tài)需要通過找形來實現(xiàn)，體現(xiàn)在計算上就是結構剛度矩陣不斷發(fā)生變化。圖1和圖2就是典型的膜結構建筑。圖1輔助設計系統(tǒng)產(chǎn)生。②平衡態(tài)的尋找針對于初始假定的幾何形狀，引入初始預應力尋找膜結構初始形態(tài)的非線性有限元方法是離散數(shù)值算法，如支座位移提升法、近似曲面逼近法、小彈性模量自平衡迭代法。離散數(shù)值法要求對結構進行初始離散化，基本假定如下：1）索離散化為空間鉸接兩節(jié)點桿元，膜離散化為3節(jié)點三角形平面應力單元；2）索膜之間沒有相對滑動；3

5、）載荷等效為節(jié)點力；4）索膜張拉為小應變，符合胡克定理；本文將以一個典型的膜結構工程作為一個算例進行分析。在ANSYS程序中，膜結構形態(tài)確定分析飛一般流程如下：1）向膜結構平面投影幾何模型；2）設定索和膜的虛擬彈性模量，通常取兩者的彈性模量比真實模量低3個數(shù)量級；3）建立單元類型、單元實常數(shù)以及單元的初始預應力，其中索單元的預應力實施可以采用初始應變法；4）設定結構的邊界條件，根據(jù)真實結構各個邊界控制點和初始投影平面對應控制點的相對高低

6、，設定各個支座控制點的提升位移；5）用幾何非線性求解方法，實施第一次找形，然后更新節(jié)點坐標，將各個邊界控制點的支座位移重新設置為0；6）恢復邊界索和膜的真實彈性模量，注意需重新設定索和膜的真實預應力狀態(tài)；7）進行第一次自平衡迭代求解；8）重復（5）~（7），直至誤差達到允許范圍；膜結構各參數(shù)如下：結構外形為正方形，對角線距離為10m，高度為4m。材料參數(shù)：膜面的初始預應力為20Ncm，張拉剛度2550Ncm，剪切剛度800Ncm，泊松比