薄膜結(jié)構(gòu)的有限質(zhì)點(diǎn)法計(jì)算理論與應(yīng)用研究.pdf

1、薄膜結(jié)構(gòu)是一種典型的柔性張力體系。由于膜材本身幾乎沒有抗彎、抗剪能力，需要預(yù)應(yīng)力來提供結(jié)構(gòu)體系的剛度，因此它有著完全不同于傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，其結(jié)構(gòu)行為往往表現(xiàn)出較顯著的非線性特征。鑒于有限質(zhì)點(diǎn)法在結(jié)構(gòu)復(fù)雜菲線性問題分析中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，本文以課題組現(xiàn)有研究成果為基礎(chǔ)，進(jìn)一步發(fā)展了適用于薄膜結(jié)構(gòu)分析求解的有限質(zhì)點(diǎn)法計(jì)算理論，并將其作為基本分析手段，對(duì)當(dāng)前薄膜結(jié)構(gòu)研究中存在的若干共性與難點(diǎn)問題及技術(shù)挑戰(zhàn)逐一展開研究和探討。本文詳細(xì)介紹了國(guó)

2、內(nèi)外薄膜結(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法的研究現(xiàn)狀以及此類結(jié)構(gòu)在工程界的應(yīng)用情況，總結(jié)歸納了膜材與薄膜結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)特點(diǎn)和分析中需要考慮的關(guān)鍵因素，簡(jiǎn)要評(píng)述了有限質(zhì)點(diǎn)法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，明確了本文要做的研究工作。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴有限質(zhì)點(diǎn)法以點(diǎn)值描述、途經(jīng)單元和虛擬逆向運(yùn)動(dòng)為基本概念，用清晰的物理模型取代了復(fù)雜的函數(shù)連續(xù)體模型，本質(zhì)上屬于一種幾何非線性動(dòng)力描述方法，在處理結(jié)構(gòu)的幾何大變位、非線性材料本構(gòu)、彈性變形與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)耦合以及不連續(xù)變形等

3、復(fù)雜力學(xué)問題時(shí)有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。文中系統(tǒng)闡述了有限質(zhì)點(diǎn)法的基本概念和原理，詳細(xì)推導(dǎo)了該方法用于薄膜結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的基本公式，給出了針對(duì)運(yùn)動(dòng)約束質(zhì)點(diǎn)的特殊處理方法，建立了求解各類靜、動(dòng)力問題的基本程序框架，為后文開展薄膜結(jié)構(gòu)的各類非線性力學(xué)問題研究奠定了基礎(chǔ)。
　　⑵發(fā)展了以有限質(zhì)點(diǎn)法為核心的薄膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)分析方法。針對(duì)兩類預(yù)應(yīng)力引入方式不同的膜結(jié)構(gòu)形式一張拉膜結(jié)構(gòu)和充氣膜結(jié)構(gòu)，分別給出了采用有限質(zhì)點(diǎn)法進(jìn)行初始形態(tài)分析的思路和計(jì)算流程，

4、并改進(jìn)了原有的控制方程求解技術(shù)，加快了收斂速度。針對(duì)極小曲面、不等應(yīng)力膜面找形及初始狀態(tài)質(zhì)點(diǎn)分布控制等關(guān)鍵問題分別提出了相應(yīng)的分析策略。針對(duì)索桿膜結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)協(xié)同分析問題，提出了虛設(shè)索桿內(nèi)力和控制索桿位形兩種分析思路;針對(duì)以內(nèi)壓和矢高（或體積）為約束條件的充氣膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)問題提出了先找形后找態(tài)的分析思路及相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式。
　　⑶發(fā)展了同時(shí)考慮膜材各向異性和非線性拉伸特性的求解薄膜結(jié)構(gòu)大變形問題的計(jì)算方法?；诒∧さ牟牧狭W(xué)特性

5、分別建立了正交異性線彈性本構(gòu)模型和各向異性非線性本構(gòu)模型，特別討論了確定彈性主軸坐標(biāo)方向的簡(jiǎn)便計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)幾何與材料大變形過程的有效模擬。
　?、然趶埩?chǎng)模型，應(yīng)用薄膜非線性計(jì)算理論對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的褶皺問題進(jìn)行了模擬和分析，重點(diǎn)研究了膜面狀態(tài)的判定和褶皺區(qū)域的處理。通過對(duì)膜面平衡條件的分析，建立了區(qū)分三種不同受力狀態(tài)（即張緊、褶皺和松弛）的判定準(zhǔn)則，然后基于Raddeman分析模型并借鑒彈塑性問題中塑性修正的概念，建立

6、了一種與有限質(zhì)點(diǎn)法中顯式增量計(jì)算格式相匹配的褶皺分析方法，并給出了在計(jì)算程序中的具體實(shí)現(xiàn)流程。該方法對(duì)材料本構(gòu)關(guān)系沒有特別限制，線性或非線性、各向同性或各向異性膜材均可適用。
　?、蔀榱诉M(jìn)一步獲得褶皺的波長(zhǎng)、幅值和數(shù)量等具體構(gòu)形信息，發(fā)展了基于薄殼穩(wěn)定理論的薄膜褶皺精細(xì)化分析技術(shù)。根據(jù)實(shí)際膜材具有少量彎曲剛度的特點(diǎn)以及薄膜褶皺與薄殼屈曲行為的相似性，特別構(gòu)建了能夠同時(shí)考慮面內(nèi)薄膜變形和面外彎剪變形的有限質(zhì)點(diǎn)法薄殼計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)

7、上，通過引入瞬時(shí)擾動(dòng)、位移控制等關(guān)鍵技術(shù)并借助于方法對(duì)非線性問題的分析能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)膜面褶皺形態(tài)演化過程的準(zhǔn)確模擬。
　?、梳槍?duì)薄膜的碰撞接觸、折疊狀態(tài)展開成形、開裂破壞等一系列復(fù)雜的強(qiáng)非線性動(dòng)態(tài)行為，以物理過程的真實(shí)描述為出發(fā)點(diǎn)，分別建立了“點(diǎn)-面”接觸模型、多氣室流場(chǎng)模型及質(zhì)點(diǎn)分離與分裂模型，并給出了各個(gè)分析模型在有限質(zhì)點(diǎn)法中的實(shí)現(xiàn)方式和算法流程。綜合運(yùn)用以上各部分的研究成果，對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的各種復(fù)雜動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)合實(shí)