气承式充气膜结构风载下的索膜接触分析

柔性的膜结构具有较强的几何非线性,在荷载作用下将发生大位移变形,索和膜之间的相对滑动不可避免。考虑风荷载、风向、风速、内压及摩擦系数的改变,运用通用有限元程序ANSYS,对气承式充气膜结构的索与膜面进行接触分析,并计算自重影响。结果分析表明:索可以等效为边界约束的增加,使得结构刚度增大,增强了结构的整体稳定性,有效预防膜面掀开、膜材撕裂等破坏;迎风面索对结构抵抗外荷载没有突出功效;合理的内压可以有效维持结构形态、抵抗外荷载;不同摩擦系数对索轴力及接触分析的影响不容忽略。     

气承式充气膜结构找形与风荷载作用分析

利用薄壳无矩理论考虑预应力、内压两因素,得到了气承式充气膜结构找形解析公式。采用非线性有限元方法对气承式充气膜结构进行找形分析,利用现有的判别准则对找形后的模型进行判断,以保证模型建立的准确性。根据我国风荷载计算规范,同时结合澳大利亚规范中对穹顶式结构的风荷载体型系数取值,计算24.5 m/s风速作用下等效静力风荷载。通过对改变薄膜厚度、内压以及采取加强索的方式,来对比分析气承式充气膜结构力学性能。膜厚和内压的增加更有利于抵抗外部风荷载,提高整体刚度。最大最小应力之差较小符合实际情况。施加索时,可以降低结构在风载作用下的位移,应力分布更均匀。     

气承式膜结构风振响应下索膜接触的优化分析

以加有两道交叉拉索的半球形的气承式膜结构作为研究对象,通过改变膜与拉索之间的摩擦系数分别建立该结构的索膜接触和共节点模型,进行找态分析.再利用FLUENT软件进行CFD数值模拟,得到气膜表面风压,根据气膜表面风压分布对气膜进行分区取值,最后利用ANSYS软件分别对接触模型和共节点模型进行风速时程分析,从而得到摩擦接触对...     

索长误差对鞍形膜结构初始形态的影响分析

针对索长误差会造成膜结构的初始形态产生误差这一问题,基于非线性有限元法,通过对索施加温度作用模拟索长的制作误差,研究了索长制作误差对鞍形膜结构初始形态的影响特性和影响敏感度,其中初始形态包括初始几何形状、膜面初始预应力、索初始预拉力及初始支座反力.并进一步分析了结构参数,如跨度、高跨比、索膜预张力密度比对研究结果的影响.分析得到如下结论:索偏短时,索长误差对初始几何形状、初始膜面应力、初始索力及初始支座反力的影响均成线性关系,也就是影响敏感度为1;索偏长相对较小时,结构各项初始误差仍与索长误差呈线性关系,而索偏长相对较大时,索长误差对结构初始形态的影响表现出了非线性.当结构取不同跨度、矢跨比和索膜预张力比时,仍具有上述规律.本文结论可以为进一步完善膜结构技术规程中的相关规定提供基础材料和依据.     

不同膜面张力下索膜间摩擦接触对谷索拉力的静力影响分析

对带有一条稳定索(谷索)的双曲张拉索-膜结构,应用ANSYS软件进行算例分析,谷索与膜面之间的摩擦接触问题用接触单元Contact175来模拟,接触表面的摩擦作用仅用摩擦系数来考虑,膜面初始预张力分别取2,3,4kN/m,对模型进行初始形态分析和静力荷载分析。分析表明,摩擦接触对谷索实际拉力的影响与膜面初始预张力、荷载形式及荷载大小均有关。相同膜面初始预张力下,外荷载较大时,共享节点的谷索拉力最小,考虑摩擦接触的谷索拉力分析才是偏于安全的。     

索膜接触对气承式膜结构雪荷载响应的影响

索网加劲气承式膜结构是典型的非线性柔性大跨空间结构，在雪作用下膜结构的破坏时有发生.对于索网加劲气承式膜结构的设计，通常将结构的索网与膜面简化为直接连接，忽略索网与膜面之间的摩擦和滑移，这种简化处理对大跨气承式膜结构的设计安全造成一定的隐患.本文利用ANSYS软件，将气承式膜结构的索与膜之间的摩擦滑移作为接触问题来考虑，建立接触模型，并对其进行初始形态分析和雪荷载作用下的响应分析.结果表明：当不考虑索膜接触滑移的影响时，索网对膜面的约束作用会被高估，计算得到膜面位移偏小，索网轴力偏大且容易出现应力集中的现象；考虑索膜接触分析时，索网对膜面约束能力下降，尤其是在不均匀雪荷载作用下，膜面位移明显增加，在局部雪荷载较大部位处的膜面和索网甚至会发生分离.因此需要考虑索膜接触滑移才能正确进行气承式膜结构在雪荷载下的响应分析，避免安全事故的发生.     

球冠型充气膜结构月球基地的研究

世界航天大国纷纷计划要在月球建立基地,而充气膜结构所具有的轻质、高强特点,使之应用于月球基地成为可能。在分析月球上膜结构的特点基础上,用ANSYS软件建模,对构想的几种球冠型充气膜结构(包括无加强索模型、有加强索模型及有底模型)进行了初始找形分析和荷载分析,并就模型的半径、加强索的数量和截面积等参数对膜材内力的影响进行了讨论,从力学角度对月球上的充气膜结构进行了有益的探讨。     

适时考虑索找力的索膜结构找形方法

实际索膜工程的找形分析,不仅要得到稳定的结构形态,还要得到合适的索的预张力分布。基于非线性有限元找形理论,提出适时考虑索找力的索膜结构找形方法。首先根据是否考虑及何时考虑索找力,分3种情况对一个小品膜结构进行找形分析,发现只有适时考虑索找力的找形方法可以得到形态稳定、索张力分布合理的结构形态。然后采用新方法对大型索膜结构"佛山世纪莲花"体育场屋盖结构进行分析,发现新方法可以快速有效地对大型索膜工程进行找形和找力分析。     

充气式索膜结构的展开过程分析

在总结国内外充气式可展结构研究现状的基础上,提出了圆柱形充气式索膜结构的构形,并重点对圆柱形充气式索膜结构进行了折叠展开仿真分析。采用LS-DYNA软件对Z字形折叠和卷曲折叠的圆柱形膜和索膜结构进行了充气展开过程的仿真,并比较不同折叠方式的充气展开过程,探讨充气速率大小对结构稳定性的影响。     

基于索滑移模型的空间索膜结构设计分析

针对空间索膜结构实际应用中会存在索相对薄膜滑移的问题，提出了一种考虑索滑移的索膜组合结构分析模型。利用能量变分原理推导了局部坐标系下空间索单元和膜单元非线性有限元方程，将索和膜单元方程公共项合并得到整体坐标系下索膜组合结构非线性有限元方程。然后将薄膜对索单元节点的拉力分解到垂直于节点相邻两索单元的方向上。根据相邻两索单元张力与摩擦力之间的不等式关系建立了索滑移模型，给出了考虑索滑移的索膜结构非线性有限元方程迭代求解方法。最后将索滑移模型应用到空间索膜结构设计分析中，分析结果表明，索膜间摩擦力的存在会导致索张力不均匀，但在一定程度上可以提高薄膜抵抗外载荷的能力，索膜结构在载荷分析过程中需要考虑摩擦滑移对索膜结构的影响。     

预应力索膜结构的温度效应研究

对预应力张拉索膜结构由于温度变化对结构初始平衡形状和静力效应的影响进行研究.考虑温度作用对索膜结构形态和受力特性的影响,在推导索膜结构在温度作用下找形分析和静力分析的非线性有限元方程的基础上,进一步研究温度对索膜结构初始平衡形状和静力特性的作用效应.通过算例分析,探讨不同温度变化作用下的索膜结构初始几何形态、内力和位移的作用效应,并提出工程建议.     

气肋膜结构动态折叠建模方法研究

建立充气膜结构初始瘪气状态的折叠模型是进行充气仿真的基础.动态泄气倒塌分析是获取复杂结构初始折叠模型的基本建模方法之一.以气肋膜结构为例,基于控制体积法,研究了有限元分析中单元类型、数量及三种倒塌算法对计算效率、折叠效果及单元变形等的影响.结果表明,三角形膜单元计算耗时少,但计算结果收敛慢;随单元数量上升,计算耗时呈非线性快速增长,收敛效率则呈非线性递减;压应力消除法倒塌计算慢、体积压缩困难、表面积收缩大,不适于建立初始折叠模型;过载法计算快、体积压缩极快、表面积变形极小,可用于建模,但折叠形态不佳;在综合应力消除法和过载法的基础上,提出适于建模的混合法,实现了较优的计算效率和单元变形控制,且折叠形态较自然.     

充气式索膜结构工程及优化设计

首先比较了张拉膜和充气膜的异同。通过一个充气膜的工程实例介绍了此类结构的设计和施工。基于非线性有限元UL格式,进行充气膜的形态分析和荷载分析,分析中充分考虑了充气膜的特殊之处。以测地线为裁剪线进行裁剪设计,得到充气膜结构的施工下料尺寸。建立了充气膜的优化设计模型,以工程造价为目标函数进行优化。     

张拉膜结构找形结果影响因素分析探讨

张拉膜结构的找形分析需要根据荷载分析结果进行多次调整分析,裁剪分析也是通过找形分析所得到的最终膜面.故找形分析是索膜结构设计中一个极重要的环节,而索膜的初始预张力、杨氏模量及边界条件等参数直接关系到找形分析结果的合理与否,并影响到整个结构的受力性能、建筑效果和经济性.本文就上述问题结合典型算例分析探讨了影响张拉膜结构找形结果的影响因素,得出规律为索膜结构找形分析提供参考.     

考虑焊缝影响的膜结构优化裁剪研究

膜结构的真实应力状态对于荷载分析至关重要,然而荷载分析通常在与设计应力相对应的找形形态上进行,这样可能导致无法发现潜在的结构隐患。提出了一种考虑焊缝影响的膜结构优化裁剪及组装分析的方法。该方法通过将二维单元的节点坐标作为关键点,基于初始裁剪膜片迭代进行几何非线性有限元分析得到优化裁剪膜片,并通过膜片组装和平衡分析得到真实应力状态使最终形状最接近设计形状。在裁剪和组装平衡分析中将焊缝模拟为索单元来考虑焊缝长度方向的影响,通过修正膜单元的纬向模量来考虑焊缝宽度方向的影响。通过三个经典算例(中国帽模型、充气球模型、鞍型模型),分别进行了裁剪过程中是否考虑焊缝影响的对比分析,考虑焊缝得到的组装形态与设计形状的偏差分别降低了31.7%、96.4%、46.2%,证明了该方法可以保证实际组装形态的形状更接近设计形状。     

An optimum cutting pattern generation of membrane structures considering weld seams

膜结构的真实应力状态对于荷载分析至关重要，然而荷载分析通常在与设计应力相对应的找形形态上进行，这样可能导致无法发现潜在的结构隐患。提出了一种考虑焊缝影响的膜结构优化裁剪及组装分析的方法。该方法通过将二维单元的节点坐标作为关键点，基于初始裁剪膜片迭代进行几何非线性有限元分析得到优化裁剪膜片，并通过膜片组装和平衡分析得到真实应力状态使最终形状最接近设计形状。在裁剪和组装平衡分析中将焊缝模拟为索单元来考虑焊缝长度方向的影响，通过修正膜单元的纬向模量来考虑焊缝宽度方向的影响。通过三个经典算例(中国帽模型、充气球模型、鞍型模型)，分别进行了裁剪过程中是否考虑焊缝影响的对比分析，考虑焊缝得到的组装形态与设计形状的偏差分别降低了31.7%、96.4%、46.2%，证明了该方法可以保证实际组装形态的形状更接近设计形状。     

基于风压系数简化模型的圆柱形充气膜结构有限元分析

为分析风荷载作用下圆柱形充气膜结构的受力性能,对风入射角、膜内外压之比、矢跨比等主要影响因素进行有限元分析。基于水平、竖向合力等效的原则,对该类充气膜结构风压系数试验资料进行分析,提出了几种常见情形下风压系数分布简化模型;利用该分布模型,通过模拟试验分析了上述因素对某工程结构控制位置处的位移和应力的影响。结果表明:借助风压系数简化模型的有限元分析结果与试验结果吻合较好;极限入射方向角为60°时,对气膜结构产生的位移、应力最大;内外压之比越小,风压作用越明显;充气膜结构越柔,对其产生的位移、应力越大;矢跨比越大,气膜结构上的最大位移和最大应力越大,同时最小应力也越小,导致结构越容易因局部膜材出现皱褶而发生失稳破坏。     

索膜结构的D．R法找形软件开发

本文阐述了张拉索膜结构的初始平衡形态分析问题，用直杆索单元和平面三角形膜单元来建立模型，应用D．R法对索膜结构进行了找形分析，并据此开发了相应软件。通过典型算例和工程实例计算表明，具有较高的精度和实用性。     

索与膜材间摩擦系数试验研究

进行索膜结构分析时应该考虑索膜间摩擦力的影响,而要考虑摩擦力一般就要用到摩擦系数。鉴于目前仍缺少索膜间摩擦系数的相应资料,考虑工程实际应用情况,选用部分具有代表性的膜材进行了索膜间摩擦系数试验,给出了可应用于工程分析的建议值。     

强降雨作用下具有初始凹陷的充气膜结构袋状效应研究

采用向量式有限元法对强降雨作用下具有初始缺陷的充气膜结构的袋状效应进行了研究.探讨了基于向量式有限元的膜单元内力公式、膜结构初始缺陷施加方式、强降雨模拟方法以及膜结构破坏准则等问题,提出了强降雨作用下膜结构袋状效应研究的基本假定和积水荷载计算方法,建立了膜结构袋状效应分析流程.最后通过编写MATLAB程序,对一正方形充气膜结构在强降雨作用下从袋状效应形成直至结构破坏的全过程进行模拟,验证了本文方法的正确性和有效性.