建筑膜結構的找形與裁剪分析及膜內張力的超聲波測試方法研究.pdf

1、現(xiàn)代膜結構是在新型膜材料基礎上發(fā)展起來的一種新型結構形式，因其白重輕、施工周期短、透光性好、豐富的建筑表現(xiàn)力等優(yōu)點而在體育建筑、公共建筑等方面得到了廣泛應用。膜材料是一種柔性的，具有強非線性和各向片性的材料，膜結構的設訃在很大程度上取決于膜材料的性能，了解膜材料的特性對于膜結構的設計至關重要。建筑膜結構由柔性薄膜張拉而成，依賴于結構的幾何曲面和膜內張力來提供必需的剛度，膜結構設計的首要步驟是找彤分析，其目的是找出滿足建筑要求的空間形狀及

2、與之對應的張力分布。裁剪分析是膜結構特有的一個分析步驟，其目的是將由找形得到的預應力狀態(tài)的空間曲面進行剖分、轉換成無應力的平面下料圖，以便將平面膜材熱合成整體，冉施加預應力以張成設計曲面。合適的膜內張力是膜面能夠張成并承受荷載的保證，方便快捷的對膜內張力進行現(xiàn)場測量是保證膜結構施工質量的要求。 針對上述幾點，本文的土要內容如下： 1．概述了建筑膜結構的發(fā)展歷史及其應用現(xiàn)狀，對膜結構的設計內容及其國內外研究現(xiàn)狀進行了詳盡的

3、淪述。 2．對一種PVDF涂層的聚酯纖維膜材進行實驗研究。制作了經(jīng)向、緯線和45°斜向的條狀單軸試件和十字形雙軸實驗試件，分別進行了單軸拉伸和雙軸拉伸實驗，其中雙軸實驗采用了自行設計的實驗裝置。通過單軸實驗確定了膜材不同方向的單軸拉伸強度，全程拉伸曲線。雙軸拉伸實驗則得到了膜材的彈性模量和泊松比等參數(shù)，并深入了解膜材的變形性能，全面理解了膜材的材料特性，為后續(xù)的結構分析奠定了基礎。 3．從板殼力學的平衡方程出發(fā)，證明了膜

4、內符點處處相等的膜內應力分布將得到最小曲面，而平衡應力分布則得到平衡曲面。 4．應用動力阻尼的動力松弛法進行了膜結構的找形分析。動力松弛法解幾何非線性問題的一個顯著優(yōu)點是不需要計算結構的整體剛度矩陣和求解整體剛度矩陣方程，然而它所需要的迭代次數(shù)較多。本文在找形過程中根據(jù)結構位形的變化重新計算節(jié)點剛度、質量，不斷調整計算參數(shù)，從而加快計算的收斂。算例說明，用改進后的動力松弛法進行膜結構的找形分析，與在整個找形過程中采用同一計算參數(shù)

5、相比較，大大減少了迭代次數(shù)。由于忽略膜內剪切剛度，找形過程中單元變形較大，可通過結點坐標多步提升到位來解決問題。 5．本文給山了兩種膜結構曲面模擬的方法，通過對找形得到的散亂節(jié)點進行分片二元三次樣條插值，得到整體C<,0>連續(xù)和C<'1>連續(xù)的光滑曲面，適用于任意多邊形區(qū)域。兩種插值方法均能給出膜曲面的滿意表現(xiàn)。C<'1>插值曲面的誤籌遠小于C<'0>插值曲面。對兩種插值方法，模擬曲面的誤籌均隨著初始網(wǎng)格尺度與平面總尺寸的比值減

6、小而下降，在初始網(wǎng)格尺度與平面總尺寸的比值小于1/8之后，擬合曲面的精度變化隨該比值的下降變化值逐漸不明顯。 6．曲面上的測地線與平面上的直線有許多相似的性質，測地線的直線性質使其成為最適：白：的也是目前應用最為廣泛的裁剪縫?？梢宰C明，連接平滑曲面上任意兩點的彈性絀絲當拉緊時具有測地線的彤狀。本文在曲面上指定兩點問引入彈性索，使其在曲面上自由滑移，并用動力松弛法尋找其平衡位置，即得測地線軌跡。 7．采用測地線劃分曲面，應

7、用最小極值法進行曲面的展開。首先將曲面離散為空問二三角形網(wǎng)格，假設曲面已近似展開為平面，調整展丌平面中節(jié)點的位置，使平面網(wǎng)格中各三角彤的邊長曲面網(wǎng)格國對應的邊長之籌最小，從而求得空間曲面的平面近似展丌。本文將上述展開過程歸納為一個無約束的極值問題，并用蒙特卡洛法求解非線性方程。對于曲面上測地線的尋找和空間曲面展開分別給山了算例，用可展曲面圓柱面驗證提山方法的正確性，并應用提山的方法給出了一個菱形馬鞍膜面的裁剪樣式。 8．通過實驗