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      膜結構設計分析的主要內容

      點擊次數:   更新時間:2019-12-29   來源:www.golf-holeinone.com/
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      膜結構的設計分析主要包括形狀確定、荷載分析和裁剪分析三大方面。
      1、膜結構的形狀確定
      ?。?)給定預應力分布的形狀確定問題:預先假定膜結構中應力的分布情況,再根據受力合理或經濟原則進行分析計算,得到膜的初始幾何狀態。
        (2)給定幾何邊界條件的形狀確定問題:預先確定膜結構的幾何邊界條件,然后計算分析預應力分布和空間形狀。
        常用的計算機找形方法有:力密度法、動力松弛法、有限元法。
       2、膜結構的荷載分析
        膜結構的荷載分析是在形狀分析所得到的外形與初始應力分布的基礎上進行的,檢查結構在各種荷載組合下的強度、剛度是否滿足預定要求的過程。膜結構的荷載分析基本上都采用非線性有限元法,即將結構離散為單元和結點,單元與單元通過結點相連,外荷載作用在結點上,通過建立結點的平衡方程,獲得求解。
        膜結構輕、柔、飄的顯著特點決定了膜結構抗風計算的內容也有自身特點。
       ?。?)靜風壓體型系數的確定
        風荷載體型系數是描述風壓在結構上不均勻特征的重要參數,一般結構的體形系數可以從荷載規范查得。但膜結構形狀各異,不能從荷載規范直接獲得風壓體型系數。所以,較大的膜結構基本都要求進行風洞試驗,以獲得比較正確的膜結構的局部風壓凈壓系數和平均風載體形系數。由于風洞試驗要滿足一系列的相似準則,如幾何相似、雷諾數相似等,通常要完全滿足這些相似條件是不可能的,因此風洞模擬實驗結果有時會超過實測值很多。
       ?。?)脈動風壓系數的確定
        膜結構在荷載作用下的位移較大,結構位形的變化會對其周圍風場產生影響,所以膜結構的風動力響應過程是流固耦合過程。這種動力過程的風洞試驗必須采用氣動彈性模型,因此實現起來技術難度較大。近年來發展的“數值風洞”技術受到越來越多的重視。這種技術簡單的說就是將計算流體力學和計算結構力學技術結合起來,用計算流體力學來模擬結構周圍的風場,用計算結構力學來模擬膜結構,再借助某些參數的傳遞來實現兩者之間的耦合作用,不過,該方法還處試驗階段。
       ?。?)風振動力分析
        風力可分成平均風和脈動風兩部分。平均風的周期較長,其對結構的作用性質相當于靜力。脈動風的周期較短,其對結構的作用為動力性質。當結構的剛度較小,自振頻率較低時,在脈動風荷載的作用下可能產生較大的變形和振動,所以在設計索膜這類小剛度結構時,應進行風振動力計算。索膜結構具有振型頻譜密集、非線性特征和三維效應不可忽略等特點,針對高層和橋梁結構的風振分析方法不能直接應用。索膜結構的響應與荷載呈非線性關系,對于索膜結構定義荷載風振系數或陣風系數在理論上也是不正確的。
       ?。?)空氣動力失穩
        膜結構是風敏感結構,存在空氣動力失穩的問題。從本質上看,結構空氣彈失穩是由于結構在振動過程中從與氣流的振型耦合中吸收能量,當吸收能量大于耗散能量時,就會產生能量累積,當這種能量累積達到某一閥值(臨界風速)后,結構就會從一種低能量(穩定)的振動形式躍遷到另一種高能量的振動形式上去。所以,膜結構存在設計風速作用下的動力失穩問題,幸運的是至今還沒有這方面破壞的膜結構實例。
       
         3、膜結構的裁剪分析
      裁剪分析就是將由找形得到并經荷載分析復核的空間曲面,轉換成無應力的平面下料圖。裁剪分析包含三個步驟:
       ?。?)空間膜面剖分成空間膜條
        膜結構是通過結構來表現造型,空間膜面在剖分成膜條時,要充分考慮膜條的邊線即熱合縫對美觀的影響;同時膜材是正交異性材料,為使其受力性能**佳,應保證織物的經、緯方向與曲面上的主應力方向盡可能一致;此外,用料**省、縫線**短,也是進行膜面剖分必須考慮的因素。
       ?。?)空間膜條展開成平面膜片
        空間膜條展開成平面膜片,即將膜條的三維數據轉化成相應的二維數據,采用幾何方法,簡單可行。但如果膜條本身是個不可展曲面,就得將膜條再剖分成多個單元,采用適當的方法將其展開。此展開過程是近似的,為保證相鄰單元拼接協調,展開時要使得單元邊長的變化為極小。
       ?。?)應力狀態轉化到無應力狀態
        從應力狀態到無應力狀態的轉化,即釋放預應力、進行應變補償。膜結構是在預應力狀態下工作的,而平面膜材的下料是在無應力狀態下進行的,為確定膜材的下料圖,需對膜片釋放預應力,并進行應變補償。這里的補償實際上是縮減,在此基礎上加上熱合縫的寬度,即可得膜材的下料圖。
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