一、膜結構工程現(xiàn)有分析方法
膜結構工程在設計分析過程中存在三大問題,即形狀確定問題(找形問題)、荷載分析問題和裁剪分析問題。其中,形狀確定問題是更基本的問題,是后兩個問題分析的基礎。
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目前,膜結構工程的形狀確定問題主要應用的方法包括力密度法、動力松弛法和非線性有限元法。其中,應用更多,也更有效的方法,當屬非線性有限元法。力密度法是由Linkwitz及Schek等提出的一種用于索網結構的找形方法,若將膜離散為等代的索網,該方法也可用于膜結構工程的找形。所謂力密度是指索段的內力與索段長度的比值。邯鄲膜結構
把索網或等代的膜結構工程看成是由索段通過結點相連而成。在找形時,邊界點為約束點,中間點為自由點,通過指定索段的力密度,建立并求解結點的平衡方程,可得各自由結點的坐標,即索網的外形。不同的力密度值,對應不同的外形,當外形符合要求時,由相應的力密度即可求得相應的預應力分布值。動力松弛法是一種求解非線性問題的數(shù)值方法,從二十世紀七十年代開始被應用于索網及膜結構的找形。動力松弛法從空間和時間兩方面將結構體系離散化。空間上將結構體系離散為單元和結點,并假定其質量集中于結點上。
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如果在結點上施加激振力,結點將產生振動,由于阻尼的存在,振動將逐步減弱,更終達到靜力平衡。時間上的離散是針對結點的振動過程而言的。動力松弛法不需要形成結構的總體剛度矩陣,在找形過程中,可修改結構的拓撲和邊界條件,計算可以繼續(xù)并得到新的平衡狀態(tài),用于求解給定邊界條件下的平衡曲面。
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非線性有限元法是應用幾何非線性有限元法理論,建立非線性方程組進行求解的一種方法,是目前膜結構工程分析更常用的方法,其基本算法有兩種,即從初始幾何開始迭代和從平面狀態(tài)開始迭代。
前者是很好的先建立滿足邊界條件和外形控制的初始幾何形態(tài),并假定一組預應力分布,一般情況下初始的結構體系不滿足平衡條件,處于不平衡狀態(tài),這時再采用適當?shù)姆椒ㄇ蠼庖粋€非線性方程組,求出體系的平衡狀態(tài)。后者是假定材料的彈性模量很小,即單元可以自由變形,初始形態(tài)是一個平面,然后逐步提升體系的支撐點達到指定的位置,由于單元可以自由變形,所以體系的內力就保持不變。達到更終平衡狀態(tài)時,體系的內力為預先指定的值;為了保證計算的穩(wěn)定性,支座需要分段提升。
上述算法在避免了網格畸變、保證了計算收斂并且選擇的非線性方程組解法合適的情況下,可以得到較好的解。
膜結構工程效果圖
膜結構工程案例
膜結構工程設計施工