基于向量式有限元的ETFE氣枕找形與荷載態(tài)分析.pdf

1、隨著ETFE氣枕結(jié)構(gòu)作為國(guó)家游泳中心的外圍護(hù)系統(tǒng)在我國(guó)首次應(yīng)用，其諸多特點(diǎn)和突出優(yōu)勢(shì)得到認(rèn)識(shí)和驗(yàn)證，推動(dòng)了ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)在我國(guó)建筑領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，使其作為新型建筑圍護(hù)體系相繼出現(xiàn)在廣州南站和大連體育場(chǎng)等大型大跨空間結(jié)構(gòu)中。然而，在建筑技術(shù)高速發(fā)展的今天，相比于張拉膜結(jié)構(gòu)，我國(guó)對(duì)ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)與研究還相對(duì)缺乏，亦沒(méi)有正式的氣枕結(jié)構(gòu)系統(tǒng)規(guī)范，其應(yīng)用還處于比較初級(jí)的階段。既有的膜結(jié)構(gòu)找形與和荷載分析方法主要有力密度法、動(dòng)力松弛

2、法和非線(xiàn)性有限元法，而氣枕結(jié)構(gòu)的分析研究又以非線(xiàn)性有限元法為主。氣枕作為柔性結(jié)構(gòu)在荷載作用下必然產(chǎn)生大變形大轉(zhuǎn)動(dòng)，剛體位移與彈性變形共存，表現(xiàn)出很強(qiáng)的幾何非線(xiàn)性，傳統(tǒng)有限元在處理此類(lèi)問(wèn)題時(shí)有較多限制。
　　向量式有限元是以向量力學(xué)為理論基礎(chǔ)并結(jié)合數(shù)值計(jì)算被提出的一種新穎的結(jié)構(gòu)行為分析方法，其能有效處理機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、彈塑性、大變形、大變位、斷裂、碰撞以及倒塌等強(qiáng)非線(xiàn)性問(wèn)題或不連續(xù)行為，表現(xiàn)出很強(qiáng)的適應(yīng)性。
　　基于以上研究背景本文

3、將向量式有限元引入到氣枕結(jié)構(gòu)的找形與和荷載分析，探討了向量式有限元法處理氣枕結(jié)構(gòu)問(wèn)題的可行性與有效性。論文先詳細(xì)概括了膜結(jié)構(gòu)三階段分析及比較了既有三種數(shù)值分析方法。通過(guò)推導(dǎo)最為簡(jiǎn)單的桿單元理論公式，引出并較為詳細(xì)地闡明了向量式有限元的基本原理和分析步驟，編制了桿單元計(jì)算程序分析了桁架靜力和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，并用于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的找形分析，驗(yàn)證了向量式有限元桿單元公式和程序的可行性和準(zhǔn)確性。
　　進(jìn)一步推導(dǎo)了向量式有限元三節(jié)點(diǎn)三角形常應(yīng)變膜單

4、元理論公式，編制了膜單元計(jì)算程序，通過(guò)模擬氣囊充氣問(wèn)題驗(yàn)證了膜單元公式以及所編程序的可行性與有效性。將向量式有限元膜單元理論應(yīng)用于氣枕結(jié)構(gòu)的找形分析，完善計(jì)算程序，闡明分析步驟，對(duì)正三角形、矩形及正六邊形氣枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行了找形分析，并與ANSYS結(jié)果對(duì)比分析，充分驗(yàn)證了用向量式有限元方法于氣枕結(jié)構(gòu)找形的適用性與有效性。
　　在找形分析基礎(chǔ)上，將向量式有限元進(jìn)一步應(yīng)用于氣枕結(jié)構(gòu)的荷載分析，選取矩形氣枕分析了5種常見(jiàn)荷載工況下的靜力行為，