集索-膜-桿于一體可折疊結(jié)構(gòu)的有限元分析.pdf

1、膜結(jié)構(gòu)是用輕質(zhì)高強(qiáng)柔性薄膜材料與一定的支承及張拉體系相結(jié)合而形成的具有一定剛度的空間穩(wěn)定曲面，其本身既體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的受力特點，又突顯了結(jié)構(gòu)的建筑美感，是建筑師樂于采用的一種現(xiàn)代結(jié)構(gòu)形式。 膜結(jié)構(gòu)的分析主要分為初始平衡分析、荷載分析和裁剪分析三個步驟，其中初始平衡分析是荷載分析和裁剪分析的基礎(chǔ)工作。本文借助Fortran程序語言，基于非線性有限元理論，考慮大撓度的影響，分別對包含索桿梁膜四類單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載分析。初始平衡分析由AN

2、SYS或膜結(jié)構(gòu)專用軟件CAFA完成，荷載分析建立在初始平衡分析之上。 膜材及邊索均是柔性材料，本身沒有受壓性能，只能通過施加預(yù)應(yīng)力或預(yù)拉力進(jìn)行找形分析后，使膜或者加強(qiáng)索獲得必要的剛度以抵抗外部荷載。膜單元采用三節(jié)點九自由度的空間三角形(平面)單元，索單元采用兩節(jié)點六自由度的空間直線單元，考慮初始預(yù)應(yīng)力形成切線剛度矩陣，對膜結(jié)構(gòu)及索膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何非線性分析，并將結(jié)果與ANSYS及CAFA的模型計算結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了程序的可靠性和

3、精確度。 可展索一桁架結(jié)構(gòu)中的基本單元是梁、桿、索三類單元，在幾何非線性分析程序中梁單元采用兩節(jié)點十二自由度的空間直線單元，桿索采用兩節(jié)點六自由度的空間直線單元。論文對可展結(jié)構(gòu)有限元分析程序中求解非線性方程組的算法進(jìn)行了改進(jìn)。原程序中使用逐步增量法來研究可展結(jié)構(gòu)的幾何非線性行為，采用更新的拉格朗日格式，單元的內(nèi)力由各荷載步的增量疊加即得。改進(jìn)的程序不再采用簡單的逐步增量法，而是在求解非線性方程組時采用全Newton-Raphso

4、n迭代法，每次迭代時都用得到的位移增量修正節(jié)點坐標(biāo)及剛度矩陣和等效荷載向量，各迭代步的位移之和即為該荷載步的位移總值，將各荷載步的位移相加就得到結(jié)構(gòu)的總的位移響應(yīng)，同時可以得到相應(yīng)的內(nèi)力響應(yīng)。 在程序改進(jìn)的基礎(chǔ)之上，將梁單元和桿單元加入到索膜結(jié)構(gòu)的分析程序中，完成包含索桿梁膜四類單元的結(jié)構(gòu)的幾何非線性有限元分析。程序的可靠性通過簡單但具有代表性的模型來驗證，將無脊索整體膜結(jié)構(gòu)及銜膜可展索一桁架結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果分別與ANSYS模型結(jié)

5、果進(jìn)行比較，確定了考慮幾何非線性影響時結(jié)構(gòu)變形及受力。 褶皺的出現(xiàn)會影響膜結(jié)構(gòu)的性能和美觀，而傳統(tǒng)的分析一般按應(yīng)力是否小于0作為判斷褶皺出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)，如果產(chǎn)生褶皺，則修改彈性模量。本文提出基于二次幾何非線性理論，對產(chǎn)生褶皺的部位構(gòu)造不同形狀、不同受力狀態(tài)時的褶皺宏單元，并給出褶皺的波長和振幅。褶皺宏單元的建立打破了以往對褶皺的分析方法，不再直接考慮褶皺的應(yīng)力狀態(tài)，而是將一系列的褶皺看作一個褶皺宏單元，通過對宏單元的波長和振幅分析來