膜結(jié)構(gòu)找形分析與裁剪分析.pdf

1、膜結(jié)構(gòu)是一種新穎的空間結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計(jì)方法不同于普通的結(jié)構(gòu)形式，分為找形分析、荷載分析和膜面裁剪三個(gè)基本過(guò)程。而找形和裁剪分析一直是其中的研究重點(diǎn)。找形分析是為了得到膜結(jié)構(gòu)的初始平衡曲面，裁剪分析則是給出膜結(jié)構(gòu)成形后在平面中所對(duì)應(yīng)的裁剪膜片。本文針對(duì)找形分析中的力密度法和動(dòng)力松弛法以及膜面裁剪后形成的裁剪片質(zhì)量進(jìn)行分析，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下： 1．力密度法在膜結(jié)構(gòu)找形中的應(yīng)用。對(duì)力密度法的找形過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，避開(kāi)其中“力密度”的

2、概念，直接引入膜面應(yīng)力和索拉力作為初始條件，以節(jié)點(diǎn)不平衡力作為控制誤差，使找形計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)潔高效。改進(jìn)后的算法精度高，穩(wěn)定性良好。無(wú)論是經(jīng)典算例還是大型實(shí)際工程，無(wú)論是剛性邊界還是柔性邊界，均能得出理想的找形結(jié)果。 2．動(dòng)力松弛法在膜面找形中的應(yīng)用。對(duì)動(dòng)力松弛法中阻尼參數(shù)的取值問(wèn)題提出了簡(jiǎn)便的計(jì)算方法，通過(guò)算例分析，證實(shí)了提出的阻尼計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)的臨界阻尼相接近。針對(duì)建筑師對(duì)膜面造型的變化要求，對(duì)動(dòng)力松弛法進(jìn)行改進(jìn)。本文通過(guò)對(duì)典型

3、馬鞍面的輪廓分析，以改變膜曲面造型為目標(biāo)，通過(guò)引入函數(shù)f(L)=(d/L)<'α>修正了動(dòng)力松弛法中節(jié)點(diǎn)剛度的取值。改進(jìn)后的動(dòng)力松弛法可以依據(jù)不同的初始假定形狀以及調(diào)整參數(shù)α來(lái)得到不同的不等應(yīng)力膜面，大大擴(kuò)展了經(jīng)典動(dòng)力松弛法的適用范圍。 3．利用AutoCAD中的0bjectARX平臺(tái)，使用C++語(yǔ)言，編制索膜結(jié)構(gòu)找形程序。通過(guò)算例，對(duì)前述兩種算法在計(jì)算精度、計(jì)算時(shí)間以及收斂性進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了上述算法的穩(wěn)定性、正確性、適用性。動(dòng)

4、力松弛法和力密度法相比，計(jì)算精度要略低，但是同樣可以滿足工程需要。由于力密度法需要計(jì)算線性方程組，其計(jì)算時(shí)間隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而急劇增長(zhǎng)，而動(dòng)力松弛法的計(jì)算費(fèi)時(shí)則是和節(jié)點(diǎn)數(shù)成比例關(guān)系。因此，在小型工程中，力密度法的計(jì)算速度要遠(yuǎn)高于動(dòng)力松弛法；而在大型工程中則相反。 4．改進(jìn)傳統(tǒng)的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，即加入膜結(jié)構(gòu)縫合后模擬成形的過(guò)程。利用非線性有限元理論，將設(shè)計(jì)完成的膜結(jié)構(gòu)仿真成形，從理論上檢驗(yàn)裁剪膜片仿真成形后的應(yīng)力狀態(tài)，提出了裁剪膜

5、片的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)常見(jiàn)的馬鞍形膜面和傘形膜面進(jìn)行仿真成形分析，發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)膜結(jié)構(gòu)中，膜片的中部應(yīng)力要小于其邊緣縫合處的應(yīng)力值，特別是在結(jié)構(gòu)曲率變化較大時(shí)，其差值更大。結(jié)構(gòu)角點(diǎn)處的應(yīng)力變化較大。因此，在曲率變化大的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)該重點(diǎn)注意單個(gè)膜片中部和結(jié)構(gòu)角點(diǎn)處，這些部位容易出現(xiàn)褶皺。當(dāng)結(jié)構(gòu)曲率比較大時(shí)，幅寬對(duì)結(jié)構(gòu)的成形質(zhì)量有很大的影響，應(yīng)盡量采用小幅寬的膜材，以提高膜結(jié)構(gòu)的成形質(zhì)量。當(dāng)結(jié)構(gòu)曲率比較小時(shí)(如傘形膜面)，可以采用大幅寬的膜材，