杨超[1]2015年在《薄膜结构的有限质点法计算理论与应用研究》文中进行了进一步梳理薄膜结构是一种典型的柔性张力体系。由于膜材本身几乎没有抗弯、抗剪能力,需要预应力来提供结构体系的刚度,因此它有着完全不同于传统刚性结构的力学性能,其结构行为往往表现出较显着的非线性特征。鉴于有限质点法在结构复杂非线性问题分析中的独特优势,本文以课题组现有研究成果为基础,进一步发展了适用于薄膜结构分析求解的有限质点法计算理论,并将其作为基本分析手段,对当前薄膜结构研究中存在的若干共性与难点问题及技术挑战逐一展开研究和探讨。本文详细介绍了国内外薄膜结构分析计算方法的研究现状以及此类结构在工程界的应用情况,总结归纳了膜材与薄膜结构的基本力学特点和分析中需要考虑的关键因素,简要评述了有限质点法的应用优势,明确了本文要做的研究工作。有限质点法以点值描述、途经单元和虚拟逆向运动为基本概念,用清晰的物理模型取代了复杂的函数连续体模型,本质上属于一种几何非线性动力描述方法,在处理结构的几何大变位、非线性材料本构、弹性变形与机构运动耦合以及不连续变形等复杂力学问题时有独特的优势。文中系统阐述了有限质点法的基本概念和原理,详细推导了该方法用于薄膜结构分析计算的基本公式,给出了针对运动约束质点的特殊处理方法,建立了求解各类静、动力问题的基本程序框架,为后文开展薄膜结构的各类非线性力学问题研究奠定了基础。发展了以有限质点法为核心的薄膜结构初始形态分析方法。针对两类预应力引入方式不同的膜结构形式—张拉膜结构和充气膜结构,分别给出了采用有限质点法进行初始形态分析的思路和计算流程,并改进了原有的控制方程求解技术,加快了收敛速度。针对极小曲面、不等应力膜面找形及初始状态质点分布控制等关键问题分别提出了相应的分析策略。针对索杆膜结构的初始形态协同分析问题,提出了虚设索杆内力和控制索杆位形两种分析思路；针对以内压和矢高(或体积)为约束条件的充气膜结构初始形态问题提出了先找形后找态的分析思路及相应的实现方式。发展了同时考虑膜材各向异性和非线性拉伸特性的求解薄膜结构大变形问题的计算方法。基于薄膜的材料力学特性分别建立了正交异性线弹性本构模型和各向异性非线性本构模型,特别讨论了确定弹性主轴坐标方向的简便计算方法,实现了对薄膜结构几何与材料大变形过程的有效模拟。基于张力场模型,应用薄膜非线性计算理论对薄膜结构的褶皱问题进行了模拟和分析,重点研究了膜面状态的判定和褶皱区域的处理。通过对膜面平衡条件的分析,建立了区分叁种不同受力状态(即张紧、褶皱和松弛)的判定准则,然后基于Raddeman分析模型并借鉴弹塑性问题中塑性修正的概念,建立了一种与有限质点法中显式增量计算格式相匹配的褶皱分析方法,并给出了在计算程序中的具体实现流程。该方法对材料本构关系没有特别限制,线性或非线性、各向同性或各向异性膜材均可适用。为了进一步获得褶皱的波长、幅值和数量等具体构形信息,发展了基于薄壳稳定理论的薄膜褶皱精细化分析技术。根据实际膜材具有少量弯曲刚度的特点以及薄膜褶皱与薄壳屈曲行为的相似性,特别构建了能够同时考虑面内薄膜变形和面外弯剪变形的有限质点法薄壳计算模型。在此基础上,通过引入瞬时扰动、位移控制等关键技术并借助于方法对非线性问题的分析能力,实现了对膜面褶皱形态演化过程的准确模拟。最后,针对薄膜的碰撞接触、折迭状态展开成形、开裂破坏等一系列复杂的强非线性动态行为,以物理过程的真实描述为出发点,分别建立了“点-面”接触模型、多气室流场模型及质点分离与分裂模型,并给出了各个分析模型在有限质点法中的实现方式和算法流程。综合运用以上各部分的研究成果,对薄膜结构的各种复杂动态行为进行了仿真计算,结合实例分析验证了算法的有效性。通过理论推导、大量数值模拟及程序模块的编制表明,本文所发展的薄膜结构有限质点法分析计算理论是可行且有效的,可以作为工程师和研究者进行薄膜结构复杂行为分析的一种新的技术手段。同时论文最后还提出了今后有待解决和完善的若干问题。
蔺军[2]2005年在《大跨度葵花型空间索桁张力结构的理论分析和实验研究》文中指出索杆张力结构是一种由拉索和压杆构成的具有自平衡预应力的现代空间结构体系。大跨度葵花型空间索桁张力结构作为一种全新的索杆张力结构类型,源于对近期出现的肋环型索桁张力结构的分析研究,试图通过改变索杆构件的拓扑构成关系,进而克服肋环型索桁张力结构特有的力学缺陷。本文首先对索杆张力结构普遍性的形态分析、优化设计等重要问题进行了深入的研究,在此基础上,针对葵花型空间索桁张力结构几何拓扑复杂、多自应力模态与机构位移模态的特点,对该类结构体系首次开展了较为全面、系统的理论计算分析,并对其进行了模型实验研究。 首先,本文在查阅大量国内外相关文献的基础上,较为详实地叙述了索杆张力结构的发展过程与研究现状,指出了结构形式的发展演变方向及其进一步的研究方向与内容,提出了本文的主要研究工作。 在平衡矩阵理论与能量判定准则的基础上,阐述了索杆张力体系几何稳定性判定的新方法——切线刚度法,并与传统的几何力法进行了对比。推导了铰接杆系结构切线刚度矩阵较为简便的计算生成过程,便于在编程中实现。通过编制结构几何稳定性判定的计算程序,对多种类型结构的几何稳定性问题进行了研究,表明了应用切线刚度法进行体系几何稳定性分析的有效性。 对多个整体自应力模态的索杆张力结构可行预应力分布求解中最复杂的情况进行深入的研究,提出了一种普遍意义上的结构可行预应力分布优化求解方法——目标选择优化法;在此基础上,编制了索杆张力结构可行预应力分布优化求解的计算程序,使得多自应力模态索杆张力结构体系的可行预应力分布规律得以便捷而有效的求解。在上述工作的基础上,对索杆张力结构可行预应力分布的计算方法作了较为全面的分类阐述。 针对结构的预应力与构件截面两种不同性质设计变量相互影响与制约的特点,提出了分阶段的关联优化设计方法,研究了索杆张力结构构件截面与预应力相互关联的优化问题,并通过编制相应的优化计算程序加以实现。通过拓扑形式复杂的结构算例的优化设计过程,对上述优化设计方法的有效性进行了全面的检验。 考虑葵花型空间索桁张力结构拓扑形式的多样性特点,应用上述的方法,对该类新型结构形式的几何稳定性、可行预应力分布及其截面与预应力优化等关键性问题分类加以研究,得到相关的结论,并为进一步的结构力学性能分析提供了条件。 考虑结构的几何非线性特征,选取多种形式的结构算例,对不同预应力水平与荷载工况作用下葵花型空间索桁张力结构的静力性能进行了计算分析,对结构的一些重要参数如预应力水平、拓扑形式、各圈压杆变化规律及其变化范围等进行了较
张建[3]2007年在《索膜结构形态分析及自振特性的研究》文中进行了进一步梳理膜结构是近几十年来国内外发展迅速的一种新型结构形式。膜结构设计中，找形分析是最关键最重要的步骤，找形分析的目的是确定索膜结构初始几何形状及应力分布状态。膜结构关键参数的选取对于膜面初始形态的影响很大，膜结构形式多样，曲面变化复杂，典型膜结构参数分析对找形分析工作有着重要的参考价值。本文首先分析了膜结构的特点和设计工作中主要存在的问题，总结了目前找形分析方法和理论研究成果。本文介绍了几何非线性有限元方法基本理论，在此基础上，推导了索、膜单元在整体坐标系下的平衡方程，为应用几何非线性有限元法进行索膜结构的找形分析提供了理论依据。本文运用通用有限元程序ANSYS，实现了两种典型膜结构的找形分析，并且提出考虑二次找形和膜结构自重的更为合理的形态分析方法。本文针对两种典型膜结构，分析了找形过程中设计参数对膜结构形态的影响，提出了合理的参数取值范围，可为同类膜结构设计参数取值提供参考。本文还对实际工程进行形态分析，证明了运用本文所提出的方法，以及参数取值范围，可以得到应力分布较为均匀的膜结构初始形态。本文针对膜结构实际工程中的二次张力导入问题，提出了通过强制改变控制点位移来得到初始曲面的找形方法，并且运用该方法进行了二次张拉过程的施工模拟，提出了比较合理的施工方案。二次张拉过程的施工模拟，可以更好地把握施工过程中的应力控制，分析施工误差对二次张拉的影响。本文提出的方法对实际工程的同类张拉施工模拟具有参考价值。膜结构自振特性分析的一般方法是将膜面控制点按照与周边固接考虑，没有考虑实际支撑结构的影响，这样的话，就会造成一定的偏差。本文对考虑支撑结构的整体索膜结构进行自振特性研究，分析了支撑刚度、索预拉力、膜预拉应力对自振特性的影响。分析结果表明，整体索膜结构自振频率明显比不考虑支撑时的小；索预拉力、膜预拉应力的选取，对整体结构的自振特性影响较大。
毛国栋[4]2004年在《索膜结构设计方法研究》文中研究指明索膜结构的设计过程可以分为叁个阶段。第一阶段是找形设计阶段。即在建筑师给定预想的曲面形状的前提下，找出与此曲面相接近的初始平衡状态—初始张力的大小、分布和几何形状。第二阶段是荷载分析阶段，即找形分析获得的曲面在各种可能荷载组合的作用下，求解其变形、位移、索膜内力及判别薄膜是否有褶皱产生或索是否有松弛现象。第叁阶段是裁剪设计阶段，其目的是将已经通过荷载分析的叁维膜曲面转化成离散的平面膜片，在市售的薄膜卷材上进行下料分析，获得可以施工的裁剪下料图。 对于索膜找形分析，目前普遍常用的是非线形有限元法、动力松弛法和力密度法。但以上每一种方法都存在着缺陷。本文将动力松弛法和非线性有限元法合为一体，提出了全新的综合设计法。此种方法比非线性有限元格式的精度有所提高，收敛速度也比动力松弛格式快得多。同时针对找形分析中的动力松弛格式，本文提出了全新的控制网格变形的动力松弛法，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，克服了在曲率较小处网格过于稀疏的缺陷，在曲率较小处保证了单元的密度和初始构形的精度，并且收敛性较好，为准确进行荷载分析和裁剪分析奠定了基础。 对于静力分析，本文提出了全新的考虑膜材主轴方向的非线性有限元法。对双曲形和伞形索膜结构，分别计算了索膜结构在不同参数下的结构响应，得到了各个参数对结构静力性能的影响，指出了膜材主轴方向在静力分析中不可忽视。 风荷载是设计中的控制荷载。本文针对封闭式薄膜结构和敞开式薄膜结构推导了全新的非线性流固耦合风振响应公式，其中耦合因素包括附加空气质量、气承刚度和声致阻尼以及相对运动速度，并将此理论应用于一气弹模型的计算，获得了位移、速度、加速度时程以及加速度均方根。计算值同试验结果吻合良好，证明了本方法的正确性。 膜结构的裁剪分析，主要包括裁剪线的确定、曲面的展开和张力释放。对于裁剪线的确定，本章采用了曲面的最短线—测地线。根据最小势能原理，详细推导了全新的测地线生成的非线性有限单元法。对于曲面的展开，详细推导了全新的基于弹簧—质点系统的薄膜结构曲面展开算法。同时，对曲面展开常用的非线性有限元法进行了研究，并指出了其缺点。最后针对膜片的张力释放的几何补偿问题，首次创新地探讨了膜面初始预张力方向对几何补偿的影响。
刘家喜[5]2004年在《薄膜结构形态分析与整体力学特性的研究》文中研究表明薄膜结构是张拉整体体系中最富有活力的一种结构形式,其不同于传统结构的受力形式,结构的刚度依赖于初始预应力,这也决定了其分析、设计思路与传统结构的不同。本文主要从薄膜结构的初始形态设计和整体受力性能两方面入手,以期得到薄膜结构一些基本的特性。 本文首先对薄膜结构非线性有限元的基本原理进行了阐述,推导了按照U.L公式建立的非线性平衡方程,论述了关于非线性方程组求解的几种方法。讨论了关于非线性方程组的收敛准则。然后借助大型有限元通用分析程序ANSYS,采用支座位移法,对薄膜结构成功的实现了找形,解决了膜结构分析中最为关键的一步,通过本文的计算分析表明:本文使用的方法是可靠的、准确的。 作者对于薄膜结构的两种最基本的形态(马鞍形和伞形)进行了形态确定的参数化分析,研究了失跨比、索的预拉力与薄膜预张力之比以及有无脊索等因素对找形结果的影响,得到了关于这两种基本形态的一些建设性的结论和建议。 本文对膜结构整体受力分析方法进行了全面的叙述,而且作者采用大型有限元程序ANSYS实现了几何非线性整体分析。主要对双曲马鞍和加脊索的伞形膜结构进行了荷载的参数化分析,对于伞形结构由于实际应用较多,本文从失跨比、跨度、以及荷载的不同形式对该结构进行了细致的研究。确定了各种参数对结构受力的响应特征,揭示了薄膜结构的一些基本的受力特性。
王莉英[6]2008年在《结构仿生建筑的形体生成及空间特征研究》文中研究指明仿生建筑学借助其它学科领域的观点与方法,在理论研究与实践操作两方面均得到了拓展。结构仿生作为其中一个重要的分支,以自然原型及力学原理为基础,研究其中不同层次的结构形态以获得灵感,进而对建筑结构的外在形式与内在机理进行仿生模拟以提高工程结构效率。所生成的结构仿生建筑不仅具有经济高效的结构,并且创造出了新颖的建筑形态与空间。结构仿生建筑的形体生成及空间特征研究首先探讨了建筑设计与仿生学的历史关联及其发展脉络,通过回顾国内外仿生建筑学数十年的发展过程,联系相关的生物学、力学、美学、心理学等学科理论,从中梳理出建筑结构仿生的理论背景与建构体系。在理论铺垫以后,本文主要从纵横两个方向展开了研究:横向首先分析了结构仿生在形态上所表现出来的与自然结构的相似性,接着分析了相似性后所蕴藏着的常见几何法则,并对仿生结构的力学逻辑做了简要分析;在纵向,本文侧重于对结构仿生建筑的空间特征进行分析,依照形态特征、建构模式、心理体验以及空间适用性的次序展开。在进行分析的过程中,笔者看到了当今建筑结构仿生领域的新动向以及存在着的问题,就其比较突出的几点在文章的后半部分进行了侧重性的讨论。在全文中出于对观点的论证,插入了大量的国内外作品实例,以期能够更深入地进行探讨。对于仿生建筑学的讨论近来成为较为关注的话题,但相对来说结构仿生这一分支却是实践远远地走在了理论的前面。国内外大量的仿生建筑作品中都不乏结构仿生的影子,而相关的理论研究却仅限于个别的案例需要。本文之所以以此为侧重点,试图在综合分析这些素材的基础上,找到其中的逻辑脉络,为能够更好理解与应用建筑结构仿生起到铺垫的作用。
冯潇[7]2009年在《自由曲面结构力学性能研究》文中认为曲面结构是与建筑表现密切相关的“形状抵抗型”空间结构。曲面结构形态的选择不仅影响建筑物的安全性和经济性,也直接影响建筑物的使用性、审美性。目前能够选择的曲面结构形态局限于比较单纯的几何形状(圆筒形、扁平球体形、双曲抛物面形等等),满足不了日益发展的建筑表现要求。如何创造出能满足各种建筑意图的“薄”而“硬”的、自由的、灵活的、多样的曲面形状,如何建立创构合理的自由曲面结构形态的理论方法,是当前有待解决的一项课题,也是建筑与结构交叉领域的全新课题。本文应用了创构自由曲面结构形态的方法“高度调整法”,它是利用有限元法,计算关于曲面高度的应变能微分,并逐步调整曲面高度,使结构逐渐演变成具有最小应变能的高刚度的合理曲面结构形态的方法。利用“高度调整法”不仅可以得出自由曲面结构形态,也可以修正建筑设计所决定的曲面结构形态。选取叁个不同的曲面模型,对初始模型进行了结构形态创构。采用有限元分析软件对经过高度调整法创构的曲面结构进行了力学性能的分析。得出了自由曲面结构在进化过程中薄膜应力、弯曲应力、以及位移的变化,并求得了自由曲面结构的屈曲模态和极限荷载。为此类结构的工程设计和实践提供一些有价值的设计建议。
崔国勇[8]2015年在《自由曲面薄壳结构的形态创构方法与试验研究》文中认为建筑逐步向大跨、高层方向发展,同时人们追求的建筑已不仅仅是功能空间,更是具有良好视觉效果的自由、灵活,多样的功能与精神感受、美的享受有机统一的人性化的空间。合理且具有良好视觉效果的建筑实践,需要科技的支撑,意味着结构的力学性能在构思建筑方案中的重要性,结构形态的合理性占越来越重要的的地位。现代建筑的实践需要建筑与结构的深层次理解,需要重新认识结构形态的内涵,现代建筑构思中结构不再是单纯的承重骨架,而是构思新型建筑的一种工具。合理且良好建筑效果的结构形态创构方法的建立,不仅是每个结构工程师所关心的问题,而且也是建筑师实现自己建筑理念和意图中必须解决的重要问题。本文以应变能最小化作为结构形态创构问题的设计目标,利用B样条曲面的性质与结构应变能敏感度的特性提出了高效、实用的自由曲面形态创构方法。为解决非线性和更一般意义的形态创构问题,本文还提出了敏感度差分算法的形态创构方法。以所提方法得到的结果为对象进行了试验研究,提出了利用有限元法模拟试验的方法,并考察了进化过程中的自由曲面结构的力学性能,总结了自由曲面结构的特点。本文主要开展以下几方面的工作:1.任意边界的自由曲面薄壳结构初始模型研究在实际工程中,建筑边界条件复杂多样,为很好适应实际工程,拓展了B样条曲线函数的功能,研究了可生成多种复杂建筑边界条件的方法。常用的B样条曲线函数只能形成一条固定阶次的自由曲线,不能简单利用。本文研究了可以生成多条、多种阶次封闭曲线的B样条曲线函数。外部边界节点按顺时针方向、内部边界节点按逆时针方向排列识别内外边界。边界内部为设计域,并利用Delaunay叁角剖分技术对平面设计域进行了叁角划分。引入包含设计域的矩形参考平面,根据建筑形状要求与节点移动的操作需求,形成关键点网格,利用B样条曲面函数生成曲面。最后把设计域平面上的所有节点投影到B样条曲面上,同时记录支座条件信息,获得满足任意边界条件的自由曲面初始结构。2.基于B样条函数的自由曲面薄壳结构形态创构方法自由曲面结构的力学性能,与曲面形状密切相关,而应变能是衡量结构力学性能的综合性指标之一。根据B样条曲面关键点坐标的变化与自由曲面薄壳结构应变能的关系,建立一种高效的自由曲面薄壳形态创构方法。该方法是考虑计算效率、曲面的连续性与自由曲面的凹凸特性,以初始结构形成过程中的有限个网格点作为关键点并把其作为设计变量,分析有限个关键点与曲面上的所有有限元叁角划分节点的关系,推导了应变能对此关键点的敏感度,通过迭代逐步调整关键点,最终生成合理且光滑的自由曲面结构。通过算例考察了进化过程中的形状与力学性能的变化特点与最终结构的力学性能,总结了方法的特点。该方法具有较高的计算效率且生成的曲面光滑连续,可以创构出满足建筑要求且力学合理的各种自由曲面结构,可在方案设计阶段提供参考。3.基于敏感度差分算法的形态创构方法通过敏感度差分算法,将形态创构思想与有限元软件的强大计算能力结合起来,提出了基于敏感度差分算法的形态创构方法,并以有限元软件ansys为例,验证了该方法的正确性。虽然此方法计算效率较低,结构的初始形状确定较繁琐且不光滑,但可以解决在实际工程中所要求的复杂的非线性问题。此方法不仅可以解决应变能最小化的结构形态创构问题,也可以以其它目标量作为目标函数创构出满足建筑要求的结构形态,应用范围较广,特别是在方案探讨阶段有着良好的参考价值。并通过算例验证了此方法的可行性。4.自由曲面薄壳结构试验和有限元模拟研究自由曲面试验由于制作复杂且加载困难,一直被认为是研究自由曲面力学性能的难点,目前很少见到此方面的研究。基于b样条理论的形态创构方法是基于弹性小变形理论,为了研究结构在非线性情况下的力学性能和为进一步研究自由曲面特有的力学性能提供依据,本文以所提方法得到的结果作为对象进行了试验研究。试验考察了裂缝开展特性、应力分布特性和极限承载力。并研究了能够代替繁琐试验的基于有限元的试验模拟方法,通过试验数据的对比验证了该方法的可靠性与实用性。这些试验结果和试验模拟研究对自由曲面薄壳结构力学性能的进一步认识和自由曲面结构在工程应用与理论发展方面有参考价值。5.研究并总结所得自由曲面结构的力学性能自由曲面结构作为一种新型的结构形式,研究较少。本文通过大量算例,理论与试验相结合的方法,考察了进化过程中的结构形状变化与力学性能变化的特性,总结了合理自由曲面结构的受力特点。进化过程中,随着结构应变能的降低,结构的平均位移和最大位移均有不同程度的降低,弯矩比轴力下降的更为明显,结构最终演变成以受轴力为主的、应力分布均匀的结构形式。优化后结构不仅承载力有了提高,而且对缺陷的敏感程度降低。并考察了结构的薄膜应力分布、上下表面第一主应力的特点、弯曲内力与薄膜内力比的分布特性等。自由曲面基于b样条的形态创构方法采用fortran语言编程实现,研究结构进化过程中荷载-位移曲线和对缺陷的影响时,采用有限元软件ansys来分析并考虑结构的非线性性质;基于敏感度差分算法的形态创构方法则把有限元软件ansys作为fortran的一个子程序。本文获得了两套自由曲面形态创构的程序。
徐宗美[9]2007年在《索膜结构形态优化分析与整体协同分析》文中提出索膜结构是一种新型的空间结构形式，它通过施加预应力，使结构具有一定的刚度以承受各种荷载作用。在荷载作用下，如何使索膜结构在满足功能要求及美观要求的前提下具有最优初始形态，是索膜结构形态分析的重点。而考虑膜结构与支承结构的相互作用，建立结构整体计算模型进行分析，是索膜结构设计的难点与关键之一。本文在总结国内外研究现状的基础上，针对索膜结构的形态优化分析与整体协同分析进行了系统的研究。 本文首先推导了索膜结构几何非线性分析的有限元基本方程，并且给出了判断索单元松弛和膜单元褶皱的准则、非线性有限元方程组的解法及其收敛判定。 在合理设定优化变量的基础上，以有限元软件ANSYS为平台，编制了索膜结构的形态优化程序，分别对上部膜结构、索膜结构—下部支承体系的整体计算模型进行优化分析。通过设定不同的设计变量及目标函数，不仅可以达到设计人员所追求的不同目的，而且还可以得出最优形态下的设计变量值，克服了根据经验来确定膜结构初始预应力等参数的缺点，对工程设计具有一定的指导作用。 分别采用整体式与分离式计算模型对索膜结构进行了分析，说明两种计算模型的区别及其对各构件的影响。通过比较各优化变量的迭代曲线及优化前后上部膜结构和下部支承结构的受力及位移，给出了一些工程建议。整体式计算模型准确地模拟了实际结构，较好地反映了结构的实际受力状态，从而验证了在索膜结构找形分析及荷载分析中尽量建立整体式计算模型的必要性。 本文的研究成果对索膜结构的设计具有一定的指导意义，并为后续的裁剪分析奠定基础。
乔磊[10]2011年在《大尺度复杂张拉薄膜结构整体分析理论及其软件化》文中认为薄膜结构作为一种轻质的新型大跨度空间结构,在国内外的应用将越来越广泛。虽然薄膜结构理论不断成熟,但随着张拉薄膜结构尺度不断增大、体系日益复杂,在薄膜结构与支承结构的整体计算、整体形态分析的设计效率、褶皱处理方法、CFD数值模拟风荷载的建模方法和风荷载的精确施加等方面仍存在许多亟待解决的问题。因此,本文针对上述问题,提出了相应理论与方法,完善了大尺度张拉薄膜结构工程的整体分析与设计理论。并结合计算机编程技术、程序优化技术等,完成了膜结构专业软件CAFA1.0向CAFA2.0升级,最后将成果应用于大尺度复杂张拉薄膜结构工程。鉴于现有的梁单元研究成果无法直接应用于本文的有限元计算中,首先详细推导了叁维空间梁单元的几何非线性有限元列式,包括线性刚度矩阵、非线性刚度矩阵、坐标转换矩阵、等效节点内力和节点内力增量等,并利用辅助数组记录节点自由度在总体刚度矩阵中所处的最小行号,实现了混合自由度单元刚度矩阵的组装。然后,本文针对大尺度张拉薄膜结构工程中的关键问题,提出了整体形态分析的定力定形单元法、从局部到整体的叁步设计法、改进的修正本构矩阵法和小面模型法,具体内容如下：1)张拉薄膜结构工程整体计算应考虑形态分析中薄膜结构与支承结构的相互作用。现有的整体形态分析方法均无法保持膜面形状控制点空间位置基本不动。因此,本文提出了整体形态分析的定力定形单元法,第一步,用定力膜单元和索单元(材料弹模为小杨氏模量)分别模拟膜和膜面索,用定形索杆单元(材料弹模为杨氏模量)模拟支承体系中特殊的索和杆,用梁单元(材料弹模为杨氏模量)模拟梁构件,建立整体数值模型,进行一次形态分析；此过程中,在每一计算步求解方程组后,根据获得的节点位移,定力单元将更新位移变形而内力(应力)不变,定形单元将更新内力(应力)而保持位形不变。第二步,在第一步获得的形状和内力的基础上,释放定形单元,即计算过程中每一迭代步都更新位形和内力,其他单元情况与第一步相同,继续进行二次形态分析。该方法能考虑索膜结构与支承结构之间的相互作用,又能满足膜面形状控制点空间位置基本不动和膜面设计应力状态的要求。通过与ANSYS计算结果的对比,验证了这种方法的正确性和优势性。2)利用定力定形单元法进行整体形态分析时,计算一次获得的结果并不一定达到设计要求,经常需要不断重复预应力估算和分析计算两个过程,才能获得满意的结果。这对于大尺度复杂张拉薄膜结构来说,设计效率很低。为此,提出了从局部到整体的叁步设计法,首先不考虑支承结构,对索膜结构的典型单元,利用先试算后调整的方法,重复几次膜面索的预应力预估和分析计算两个过程,即可获得较合理的分析结果；然后根据该结果的膜面索预应力,按照相同功能类型索的拉力线密度基本相等的原则,向其他结构单元的膜面索施加预应力,并对支承体系中的特殊构件进行定力或定形的处理,建立包括支承结构的整体数值模型；最后,采用定力定形单元法进行分析计算,经历几次不合理形态处膜面索预应力的微调,获得满足建筑要求的形态分析结果。该方法打破了凭借经验预估膜面索预应力的找形模式,而且将重复计算的对象由整体大模型变为局部小模型,显着提高了工程设计的效率。利用该方法,重新对芜湖体育场屋盖挑棚结构进行了验证性分析与设计。3)大尺度张拉薄膜结构整体荷载分析时不能忽略膜材的褶皱对结构受力性能的影响。褶皱的出现使得膜面部分区域的应力低于或高于设计值,将导致结构局部刚度降低或膜材产生较大的应变和徐变。工程设计时一般利用修正本构矩阵的褶皱处理方法考虑膜材褶皱的影响。然而,在单向褶皱条件下,采用现有的修正本构矩阵法计算所得的第一主应力可能为负值,与实际情况不符,而且计算收敛困难。因此,本文提出了改进的方法,并通过实际工程算例对比改进前后的分析结果,发现二者具有一定的差异,改进后的方法符合膜材不能受压的特性,收敛较快。4)风荷载是薄膜结构设计的控制荷载之一。利用CFD方法计算作用在薄膜结构上的风荷载时,现有方法无法快速准确地模拟薄膜曲面,也无法将计算结果精确施加到结构上。为此,基于有限元的离散概念,提出了小面模型法,即直接利用有限元网格生成小面模型的曲面建模方法。该方法能够较准确地模拟膜曲面,而且使结构上每个节点的风压值均可以在CFD计算结果中找到对应数据。在此基础上,通过编制AutoCAD与ANSYS、ICEM、CFX5的数据接口程序,实现了四者自动运行获得风荷载的数值模拟技术,节省了建模时间,提高了数值模拟的效率。将芜湖体育场的分析结果与已有实验的结果进行对比,验证了此数值模拟技术的高效性和准确性。并且编制了上下表面风压分布系数处理和风荷载施加子程序,实现了张拉薄膜结构分析中风荷载的精确施加。此外,本文将以上所提方法,结合数组编写原则、一维变带宽存储刚度矩阵的线性方程组叁角分解法和RCM网格节点编号优化算法等方法,使薄膜结构分析软件CAFA1.0升级为CAFA2.0,成功实现了大尺度张拉薄膜结构整体分析和风荷载CFD数值模拟计算一体化软件的开发,分析功能和计算效率得到显着提高。CAFA2.0仍以AutoCAD2002软件为平台,采用ObjectARX和Fortran语言工具,包括模型建立模块、形态分析模块、自振分析模块、荷载分析模块和裁剪分析模块。对青岛颐中体育场薄膜屋盖结构进行了整体形态分析、自振分析和荷载分析,结果表明,CAFA2.0软件可以较好地适应大尺度张拉薄膜结构工程分析与设计。
参考文献：
[1]. 薄膜结构的有限质点法计算理论与应用研究[D]. 杨超. 浙江大学. 2015
[2]. 大跨度葵花型空间索桁张力结构的理论分析和实验研究[D]. 蔺军. 浙江大学. 2005
[3]. 索膜结构形态分析及自振特性的研究[D]. 张建. 西安建筑科技大学. 2007
[4]. 索膜结构设计方法研究[D]. 毛国栋. 浙江大学. 2004
[5]. 薄膜结构形态分析与整体力学特性的研究[D]. 刘家喜. 西南交通大学. 2004
[6]. 结构仿生建筑的形体生成及空间特征研究[D]. 王莉英. 重庆大学. 2008
[7]. 自由曲面结构力学性能研究[D]. 冯潇. 哈尔滨工业大学. 2009
[8]. 自由曲面薄壳结构的形态创构方法与试验研究[D]. 崔国勇. 哈尔滨工业大学. 2015
[9]. 索膜结构形态优化分析与整体协同分析[D]. 徐宗美. 河海大学. 2007
[10]. 大尺度复杂张拉薄膜结构整体分析理论及其软件化[D]. 乔磊. 北京交通大学. 2011
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