薄膜結(jié)構(gòu)的有限質(zhì)點法計算理論與應(yīng)用研究.pdf

1、薄膜結(jié)構(gòu)是一種典型的柔性張力體系。由于膜材本身幾乎沒有抗彎、抗剪能力，需要預(yù)應(yīng)力來提供結(jié)構(gòu)體系的剛度，因此它有著完全不同于傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，其結(jié)構(gòu)行為往往表現(xiàn)出較顯著的非線性特征。鑒于有限質(zhì)點法在結(jié)構(gòu)復(fù)雜菲線性問題分析中的獨特優(yōu)勢，本文以課題組現(xiàn)有研究成果為基礎(chǔ)，進一步發(fā)展了適用于薄膜結(jié)構(gòu)分析求解的有限質(zhì)點法計算理論，并將其作為基本分析手段，對當(dāng)前薄膜結(jié)構(gòu)研究中存在的若干共性與難點問題及技術(shù)挑戰(zhàn)逐一展開研究和探討。本文詳細介紹了國

2、內(nèi)外薄膜結(jié)構(gòu)分析計算方法的研究現(xiàn)狀以及此類結(jié)構(gòu)在工程界的應(yīng)用情況，總結(jié)歸納了膜材與薄膜結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)特點和分析中需要考慮的關(guān)鍵因素，簡要評述了有限質(zhì)點法的應(yīng)用優(yōu)勢，明確了本文要做的研究工作。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、庞邢拶|(zhì)點法以點值描述、途經(jīng)單元和虛擬逆向運動為基本概念，用清晰的物理模型取代了復(fù)雜的函數(shù)連續(xù)體模型，本質(zhì)上屬于一種幾何非線性動力描述方法，在處理結(jié)構(gòu)的幾何大變位、非線性材料本構(gòu)、彈性變形與機構(gòu)運動耦合以及不連續(xù)變形等

3、復(fù)雜力學(xué)問題時有獨特的優(yōu)勢。文中系統(tǒng)闡述了有限質(zhì)點法的基本概念和原理，詳細推導(dǎo)了該方法用于薄膜結(jié)構(gòu)分析計算的基本公式，給出了針對運動約束質(zhì)點的特殊處理方法，建立了求解各類靜、動力問題的基本程序框架，為后文開展薄膜結(jié)構(gòu)的各類非線性力學(xué)問題研究奠定了基礎(chǔ)。
　?、瓢l(fā)展了以有限質(zhì)點法為核心的薄膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)分析方法。針對兩類預(yù)應(yīng)力引入方式不同的膜結(jié)構(gòu)形式一張拉膜結(jié)構(gòu)和充氣膜結(jié)構(gòu)，分別給出了采用有限質(zhì)點法進行初始形態(tài)分析的思路和計算流程，

4、并改進了原有的控制方程求解技術(shù)，加快了收斂速度。針對極小曲面、不等應(yīng)力膜面找形及初始狀態(tài)質(zhì)點分布控制等關(guān)鍵問題分別提出了相應(yīng)的分析策略。針對索桿膜結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)協(xié)同分析問題，提出了虛設(shè)索桿內(nèi)力和控制索桿位形兩種分析思路;針對以內(nèi)壓和矢高（或體積）為約束條件的充氣膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)問題提出了先找形后找態(tài)的分析思路及相應(yīng)的實現(xiàn)方式。
　?、前l(fā)展了同時考慮膜材各向異性和非線性拉伸特性的求解薄膜結(jié)構(gòu)大變形問題的計算方法?；诒∧さ牟牧狭W(xué)特性

5、分別建立了正交異性線彈性本構(gòu)模型和各向異性非線性本構(gòu)模型，特別討論了確定彈性主軸坐標(biāo)方向的簡便計算方法，實現(xiàn)了對薄膜結(jié)構(gòu)幾何與材料大變形過程的有效模擬。
　?、然趶埩瞿Ｐ?，應(yīng)用薄膜非線性計算理論對薄膜結(jié)構(gòu)的褶皺問題進行了模擬和分析，重點研究了膜面狀態(tài)的判定和褶皺區(qū)域的處理。通過對膜面平衡條件的分析，建立了區(qū)分三種不同受力狀態(tài)（即張緊、褶皺和松弛）的判定準(zhǔn)則，然后基于Raddeman分析模型并借鑒彈塑性問題中塑性修正的概念，建立

6、了一種與有限質(zhì)點法中顯式增量計算格式相匹配的褶皺分析方法，并給出了在計算程序中的具體實現(xiàn)流程。該方法對材料本構(gòu)關(guān)系沒有特別限制，線性或非線性、各向同性或各向異性膜材均可適用。
　?、蔀榱诉M一步獲得褶皺的波長、幅值和數(shù)量等具體構(gòu)形信息，發(fā)展了基于薄殼穩(wěn)定理論的薄膜褶皺精細化分析技術(shù)。根據(jù)實際膜材具有少量彎曲剛度的特點以及薄膜褶皺與薄殼屈曲行為的相似性，特別構(gòu)建了能夠同時考慮面內(nèi)薄膜變形和面外彎剪變形的有限質(zhì)點法薄殼計算模型。在此基礎(chǔ)

7、上，通過引入瞬時擾動、位移控制等關(guān)鍵技術(shù)并借助于方法對非線性問題的分析能力，實現(xiàn)了對膜面褶皺形態(tài)演化過程的準(zhǔn)確模擬。
　?、梳槍Ρ∧さ呐鲎步佑|、折疊狀態(tài)展開成形、開裂破壞等一系列復(fù)雜的強非線性動態(tài)行為，以物理過程的真實描述為出發(fā)點，分別建立了“點-面”接觸模型、多氣室流場模型及質(zhì)點分離與分裂模型，并給出了各個分析模型在有限質(zhì)點法中的實現(xiàn)方式和算法流程。綜合運用以上各部分的研究成果，對薄膜結(jié)構(gòu)的各種復(fù)雜動態(tài)行為進行了仿真計算，結(jié)合實