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设计研发

膜结构设计


1 形态确定

   1.形状确定的概念   
膜结构的形状确定问题就是确定初始状态的问题,在许多专著上被称为“找形”(FormFinding)。

膜结构的形状确定问题有两种类型:   

(1)给定预应力分布的形状确定问题:预先假定膜结构中应力的分布情况,在根据受力合理或经济原则进行分析计算,以得到膜的初始几何状态。   

(2)给定几何边界条件的形状确定问题:预先确定膜结构的几何边界条件,然后计算分析预应力分布和空间形状。   

肥皂泡就是最合理的自然找形的膜结构。最初的找形正是通过皂膜比拟来进行,后来发展到用其他弹性材料做模型,通过测量模型的空间坐标来确定形状,对于简单的外形也可以用几何分析法来确定,膜结构找形技术的真正发展来自计算机有限元分析方法的发展。为了寻求膜结构的合理的几何外形,需要通过计算机的多次迭代才能得到。  

 

2 荷载分析

    1.荷载分析的内容和方法   
膜结构的荷载分析是在形状分析所得到的外形与初始应力分布的基础上进行的,检查结构在各种荷载组合下的强度、刚度是否满足预定要求的过程。   

膜结构的找形有不同的理论方法,但荷载分析基本上都采用非线性有限元法(NonlinearFiniteElementMethod),即将结构离散为单元和结点,单元与单元通过结点相连,外荷载作用在结点上,通过建立结点的平衡方程,获得求解。   

由于索膜结构是大变形问题,在推导有限元方程时,需考虑位移高阶项对应变的影响,即考虑几何非线性。当然,膜材本身也是非线性的,在工程应用上时,材料的非线性问题一般不予考虑。   


   2.风荷载作用   
膜结构区别于传统结构的两个显著特点是轻和柔。轻,意味着结构自身重量和惯性力小,自重不是主要荷载,地震力可以忽略不计,而风是主要荷载;柔,意味着结构无抗弯刚度,结构对外荷载的抵抗是通过形状改变来实现的,表现出几何非线性特征。膜结构的特点决定了膜结构是风敏感结构,抗风设计在膜结构设计中处于主要地位。  

 

3 裁剪分析

   1.裁剪分析的内容   

裁剪分析,就是将由找形得到并经荷载分析复核的空间曲面,转换成无应力的平面下料图。

裁剪分析包含三个步骤:   

(1)空间膜面剖分成空间膜条   
膜结构是通过结构来表现造型,空间膜面在剖分成膜条时,要充分考虑膜条的边线即热合缝对美观的影响;同时膜材是正交异性材料,为使其受力性能最佳,应保证织物的经、纬方向与曲面上的主应力方向尽可能一致;此外,用料最省、缝线最短,也是进行膜面剖分必须考虑的因素。   

(2)空间膜条展开成平面膜片   
空间膜条展开成平面膜片,即将膜条的三维数据转化成相应的二维数据,采用几何方法,简单可行。但如果膜条本身是个不可展曲面,就得将膜条再剖分成多个单元,采用适当的方法将其展开。此展开过程是近似的,为保证相邻单元拼接协调,展开时要使得单元边长的变化为极小。   

(3)应力状态转化到无应力状态   
从应力状态到无应力状态的转化,即释放预应力、进行应变补偿。膜结构是在预应力状态下工作的,而平面膜材的下料是在无应力状态下进行的,为确定膜材的下料图,需对膜片释放预应力,并进行应变补偿。这里的补偿实际上是缩减,在此基础上加上热合缝的宽度,即可得膜材的下料图。   上述过程,即为裁剪分析。   

   

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