零弯矩型自由曲面结构找形方法

为获得受力合理且形式丰富的自由曲面结构,借鉴传统模型试验找形法的原理,提出基于动力松弛法和局部线性化法的零弯矩型自由曲面结构数值找形方法.该方法利用了零弯矩型薄壳结构与相同荷载与边界条件下的柔性膜结构具有相同形状的性质,通过膜结构来实现自由曲面结构的找形.首先采用动力松弛法确定柔性结构在不同驱动力作用下的平衡构形;然后利用局部线性化方法调整结构初始参数,实现对结构形状的精确调控,以满足建筑设计对控制点坐标的要求.利用所提方法分别对逆吊型、充气型和张拉型自由曲面进行了数值模拟分析.通过对Isler逆吊试验模型的模拟,并与实际模型的3D扫描结果进行比较,验证了方法的精确性;通过对一充气型自由曲面的模拟,证明通过多区域分步控制可实现复杂造型结构的多点精确控制;通过对一找形后的张拉型自由曲面结构进行受力分析,证明采用本文方法可获得受力合理的纯压结构.研究表明,本文方法的计算效率更高,适用范围更广,有助于实现建筑与结构设计的协调统一.     

充气式索膜结构的找形分析

充气膜结构本身需要通过压差作用才能形成完整的结构,从而具备一定的刚度来支撑自重和外载荷.为加强结构的承载能力,通常会增设强度更大的索结构进行调整. 对于充气式索膜结构,找形分析在形状设计和优化中具有十分重要的作用,而压差对结构的形态分布有显著的影响,是找形分析中的重要因素. 针对充气式索膜结构受压差作用的特点,基于非线性有限元找形方法,提出压差预置法的概念,并且与节点平衡法相结合来实现优化.在此基础上,针对飞艇索膜结构的具体设计要求,提出了多目标优化的找形分析方案,先结合使用压差预置法和节点平衡法,寻找出满足索和膜结构的应力比值的几何外形;然后,通过等比例缩放的方法调整大小,最终得出满足设计体积大小的几何形状. 结果表明,采用该方法找形后的索的应力为找形前的2倍,更加充分的发挥了增强索的承载作用,同时,膜的最大应力有所降低,应力分布更加均匀,整体结构的承载能力得到了加强,对于解决实际工程问题具有重要的参考意义.     

控制网格变形的动力松弛法膜结构找形分析

采用动力松弛法对膜结构找形分析时,为了防止节点的聚集以获得更精确的膜曲面,提出了一种新的控制网格变形的找形技术.膜单元采用平面三角形单元描述,在单元每两节点间引入了与单元边长变化速率成正比的阻尼项,通过阻尼项产生的节点力来控制网格在找形过程中的变形.对悬链面找形时发现,当黏性系数不大于0.7时,动力松弛法收敛,网格节点分布较无阻尼时均匀.对Scherk-1ike曲面找形时发现,能够控制网格变形且满足收敛性的黏性系数的上限为1.5.此方法能够有效地解决膜结构找形分析中网格的大变形问题,保证了单元密度,特别是克服了曲率较小处网格过于稀疏的缺陷.     

气承式薄膜结构的找形分析

根据离散后膜曲面的节点平衡条件,推导了气承式薄膜结构初始平衡形状确定的基本方程.在此基础上,提出了气承式薄膜结构等应力密度及等应力两类初始平衡曲面的求解方法.依据文中方法编制了计算程序,给出了两个找形算例.算例验证了理论推导和程序的正确性,同时表明,对于气承式薄膜结构的找形分析,文中提出的求解方法简单、高效.     

敞篷式体育场膜结构找形分析

采用基于非线性有限元理论的形态结合法对敞篷式膜结构进行了找形分析。首先介绍了相关理论和相应有限元计算公式,通过提升支座,得到膜面的初始曲面,即“形”;然后在此形状基础上,通过温度作用对膜施加真实的预应力,迭代计算得到了真实的膜面预应力分布,即“态”,实现了“形”与“态”的结合,得到了最终膜结构的形状;最后对郑州大学新校区综合体育场膜结构工程进行了找形分析。结果表明,该方法能够快捷、精确地得到敞篷式膜结构的曲面形状,对更加合理地设计膜结构具有重要意义。     

索膜结构平衡法找形分析

目前,索膜结构的找形分析以非线性有限元法等数值分析法为主.这些方法依据本构关系建立节点位移与节点不平衡力间的刚度方程,进而迭代求解.计算时若初始形状与找形形状差异较大,则会使迭代计算发散.笔者从平衡条件出发,将索膜结构的找形过程视为大位移小应变的形状几何问题,从而引入平衡方法进行了找形分析.通过算例计算分析,得出该方法在初步找形方面具有简单、快捷、不依赖经验等优点,但尚需与荷载分析、裁剪分析结合来进一步探讨该方法的优势和不足.     

张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构找形分析

张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构集膜结构、飞杆与张弦立体桁架等多种受力特性于一身.给出了带飞杆的膜结构找形分析时在ANSYS上的实现过程和关键处理,并以青海省西宁市亲水中心大厅屋盖为案例进行了找形.结果表明,找形形状接近建筑初步设计造型的要求,且膜上的应力分布比较均匀.通过提升后与最终找形飞杆顶端节点的竖向坐标值对比,证实了带飞杆的膜结构找形时必须和弹性构件一起联合找形.张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构找形分析时可不考虑结构自重,但需要考虑张弦立体桁架支撑的协同作用.     

大跨度充气膜结构形态分析方法研究

为求解大跨度充气膜结构的准确形态,阐述了一种形态分析方法.分析流程为构建初始形、假定初始态、迭代求解预应力及变形、逆向变位改变初始形、逆位移形再迭代计算、求得平衡形态.以某充气膜结构为例计算,平衡形态下最小von mises应力为0.723×106 N/mm2,最大von mises应力为13.4×106 N/mm2....     

充气膜结构有限元找形的体积微分法

为确定充气膜结构找形分析时,在内压已知情况下膜面张力的大小,根据多元函数泰勒展开公式推导了该类结构充气膨胀的体积微分方程,并由基于U.L.格式的非线性有限单元法,建立了以节点位移和膜面初始张力为未知量的平衡方程,编制了在给定内部气压及膨胀体积情况下的找形分析程序。对球面及圆柱面充气膜结构进行了找形计算,得到的数值结果与由球面及圆柱面的矢高、内压、初始张力相互关系得到的理论解进行比较并得到了验证。计算结果表明,提出的基于有限元的体积微分法可有效的用于充气膜结构的找形分析。     

气承式薄膜结构的找形分析

根据离散后膜曲面的节点平衡条件，推导了气承式薄膜结构初始平衡形状确定的基本方程．在此基础上，提出了气承式薄膜结构等应力密度及等应力两类初始平衡曲面的求解方法．依据文中方法编制了计算程序，给出了两个找形算例．算例验证了理论推导和程序的正确性，同时表明，对于气承式薄膜结构的找形分析，文中提出的求解方法简单、高效。     

索膜结构的动力松弛找形法参数简化

针对膜结构找形中最小曲面的确定问题,采用动力松弛法,对迭代参数进行分析和简化,使迭代参数的简化只跟时间步长有关.通过算例分析表明,参数简化正确实用,精度较高,适用于大跨度张拉索网、索膜结构的几何非线性分析.     

单层轮辐式索网结构形状确定研究

索网结构的初始状态几何确定和零状态几何确定问题是索结构设计中得重中之重,其中单层轮辐式索网结构形状找形与传统索结构找形方法不同,详细阐述了单层轮辐式索网结构初始形态几何位形和零状态找形方法,并在参数化平台RHINO和Grasshopper结合四支座简化算例,证明文中阐述找形方法针对单层轮辐式索网结构具有良好的精确性和适用性.     

车辐式结构找形分析的逐点去约束法

车辐式结构是一种双层索系的柔性结构,需要通过找形分析确定结构的初始预应力态.与索膜、索网结构等柔性结构不同,车辐式结构的找形分析不是用给定的预应力值寻找结构位形,而是从给定的位形出发求解可能存在的预应力分布情况.目前已有的找形方法有平衡矩阵理论、力密度法、动力松弛法、非线性有限元法等.除了非线性有限元法外,其他方法都难以直接通过通用有限元软件进行找形分析.本文在平衡矩阵理论的基础上,将车辐式结构整体找形问题转化为针对每个节点处3个索杆单元的计算.通过使每个节点在预应力作用下达到设计位形,求出结构初始应力态的预应力分布.这种方法不但能够直接用于有限元软件的计算,还能够判定结构的初始应力态是否存在.     

能量优化法分析四边域膜结构初始形态

根据膜结构曲面的多样性,提出了描述膜曲面的三次准均匀B样条曲面方程.根据膜结构受力特点,结合其形与态建立总能量方程,通过数学规划求得曲面的控制点,从而求得具有最小变形能膜曲面.     

基于奇异值分解张拉整体结构找形方法

张拉整体结构是由一组不连续的受压单元包含于连续受拉单元组成的稳定自平衡结构,为了寻找自平衡状态下的构型,引入奇异值分解的方法,将寻找张拉整体结构的自平衡构型问题转化为最小奇异值的判定。通过广义节点坐标和构件之间的连接关系建立结构的数学模型;引入力密度的概念,对张拉整体结构进行受力分析,列写包含平衡矩阵的平衡方程;对平衡矩阵进行奇异值分解,利用分解获得的最小奇异值判断平衡方程是否有解,对张拉整体结构是否存在自平衡构型进行初步判定,再依据获得的力密度的均匀性(同组构件力密度大小相等)和正负属性(杆的力密度小于0,索的力密度大于0)对结构自平衡状态进一步判断;通过实例分析对该找形方法的可行性进行了验证,结果表明:该方法可以找到张拉整体结构自平衡构型。本文为寻找自平衡张拉整体结构提供了一种思路。     

ANSYS的索膜结构找形系统研究

索膜结构找形在ANSYS上实现时,由于找形过程步骤复杂以及ANSYS软件本身的特点,存在学习周期长,对用户分析能力要求高的问题。通过分析索膜结构有限元法找形的原理,总结提炼索膜结构找形的步骤,给出了其在ANSYS上实现的方法,并且应用APDL参数化有限元分析技术及UIDL用户接口定制技术对ANSYS进行二次开发完成了找形系统。实例验证了找形系统的实用性和可靠性。为工程设计人员进行找形计算节约了时间,为以后找形系统的研究和开发提供了思路和参考价值。     

一种等张力空间索网结构找形方法

为设计出质量小、结构稳定的空间索网天线结构,给出了一种等张力索网结构找形的坐标迭代算法.将索网上的各节点看做只能在理想反射面上移动的点,并规定各段绳索中的张力是恒定的.各节点在合力的作用下运动,当作用在各节点上的合力逐渐减为零时,索网结构到达一种平衡状态,根据这一平衡状态可求出各段绳索的无应力长度.使用该算法对环形桁架索网天线计算模型进行了找形计算,并使用有限元法对找形得到的平衡状态进行验证,证明了该算法的正确性和可行性.同时将找形结果与极小范数法、等力密度这两种找形算法的结果进行了比较分析.分析结果表明,使用等张力找形算法得到的索网结构绳索张力的均匀性最好.文中所提的等张力找形算法可用于空间索网结构的找形.     

上海世博会世博轴索膜结构屋面有限元分析与研究

作为索膜结构的一个工程实例,介绍了上海世博会世博轴索膜结构屋面有限元分析理论和分析方法。包括计算模型的确定、单元的选取、找形分析过程和初始态的评价原则、荷载效应分析过程和荷载作用下膜面应力与变形的控制。分析结果表明,索膜结构找形分析的关键问题是如何确定索和膜的预应力大小,荷载效应分析的关键是如何控制膜面应力及位移。采用有限元法有效解决了本工程索膜结构找形和荷载效应分析问题。分析方法和过程可为类似结构分析设计提供参考。     

大跨度纺锤形气撑式张弦梁找形分析

气撑式张弦结构是一种利用预应力建立初始刚度的新型结构体系,为研究结构在初始预应力作用下位形变化对其力学性能的影响,采用改进的逆迭代法对60 m跨度纺锤形气撑式张弦梁进行找形分析,研究了找形对结构初始态下内力分布和荷载态下极限承载力的影响,对比了该结构与桁架、传统张弦梁的力学性能和经济性.结果表明:找形后初始态上弦位形误差只有矢高的0.67%;经找形结构初始态下内力分布较未经找形结构发生明显改变,且荷载态下竖向承载力降低22.24%;气撑式张弦结构刚度较等跨度桁架和传统张弦梁要低,但用钢量要少34.80%.找形分析可有效控制大跨度气撑式张弦梁初始态位形误差,但对其力学性能影响较大.     

采用改进鱼群算法的张拉整体结构找形方法

针对传统力密度法求解大规模、不规则张拉整体结构找形效率不高的问题,提出了一种力密度法与改进鱼群算法相结合的找形方法．先基于力密度法建立结构的平衡方程组, 然后采用改进的鱼群算法在力密度空间内进行全局搜索, 找出一组合适的力密度值使得平衡矩阵的秩满足求解条件, 从而找到结构的平衡构形．该算法加入了全局最优人工鱼信息, 引入了吞食行为和跳跃行为, 并采用了自适应步长, 比传统鱼群算法搜索效率更高, 不容易陷入局部极值．以扩展八面体张拉整体结构为例, 用该方法进行了找形, 并和传统鱼群算法的找形结果进行了对比分析．仿真结果表明,该找形方法的找形结果可靠, 并且收敛精度和平均最优值较传统鱼群算法均有所提高．