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    张拉膜膜结构

    给定预应力分布的形状确定问题:预先假定张拉膜膜结构中应力的分布情况,在根据受力合理或经济原则进行分析计算,以得到膜的初始几何状态。

    张拉膜膜结构的形状确定问题有两种类型:
    (1)给定预应力分布的形状确定问题:预先假定张拉膜膜结构中应力的分布情况,在根据受力合理或经济原则进行分析计算,以得到膜的初始几何状态。
    (2)给定几何边界条件的形状确定问题:预先确定张拉膜膜结构的几何边界条件,然后计算分析预应力分布和空间形状。
    肥皂泡就是最合理的自然找形的张拉膜结构。最初的找形正是通过皂膜比拟来进行,后来发展到用其他弹性材料做模型,通过测量模型的空间坐标来确定形状,对于简单的外形也可以用几何分析法来确定,张拉膜结构找形技术的真正发展来自计算机有限元分析方法的发展。为了寻求张拉膜结构的合理的几何外形,需要通过计算机的多次迭代才能得到。
    常用的张拉膜结构计算机找形方法有以下种:
    (1)力密度法
    索网结构中拉力与索长度的比值定义为力密度(ForceDensity)。力密度法(ForceDensityMethod)是由Linkwitz及Schek提出来的,原先只是用于索网结构的找形,将膜离散为等代索网,后来,该方法被用于张拉膜结构的找形。把等代为索的张拉膜结构看成是由索段通过结点相连而成,通过指定索段的力密度,建立并求解结点的平衡方程,可得各自由结点的坐标。
    不同的力密度值,对应不同的外形。当外形符合要求时,由相应的力密度即可求得相应的预应力分布值。力密度法也可以用于求解最小曲面,最小曲面时膜内应力处处相等,肥皂膜就是最好的最小曲面的例子。实际上的最小曲面无法用计算机数值计算方法得到,所以工程上常采用指定误差来得到可接受的较小曲面。
    力密度法的优点是只需求解线性方程组,其精度一般能满足工程要求。用力密度法找形的软件有德国EASY(EasyForm)、意大利Forten32、新加坡WinFabric等。
    (2)动力松弛法
    动力松弛法(DynamicRelaxationMethod)是一种专门求解非线性系统平衡状态的数值方法,他可以从任意假定的不平衡状态开始迭代得到平衡状态,最早将这种方法用于索网结构的是Day和Bunce,而Barnes则成功地应用于张拉膜结构的找形。
    力密度法只是从空间上将膜离散化,而动力松弛法从空间和时间两方面将张拉膜结构体系离散化。空间上的离散化是将结构体系离散为单元和结点,并假定其质量集中于结点上。时间上的离散化,是针对结点的振动过程而言的。初始状态的结点在激振力作用下开始振动,这时跟踪体系的动能;当体系的动能达到极值时,将结点速度设置为零,跟踪过程重新开始,直到不平衡力为极小,达到新的平衡为止。

    动力松弛法最大特点是迭代过程中不需要形成刚度矩阵,节约了刚度矩阵的形成和分解时间,并可在计算过程中修改结构的拓扑和边界条件,该方法用于求解给定边界条件下的平衡曲面。其缺点是迭代步骤往往很多。用动力松弛法找形的软件有英国InTENS、新加坡WinFabric、英国Suface等。


    (3)有限单元法
    有限单元法(FiniteElementMethod)最初是用来计算索网结构的非线性迭代方法,但现在已成为较普遍的张拉膜结构找形方法。其基本算法有两种,即从初始几何开始迭代和从平面状态开始迭代。显然,从初始几何开始迭代找形要比从平面状态开始来得有效,且所选用的初始几何越是接近平衡状态,计算收敛越快,但初始几何的选择并非容易之事。两种算法中均需要给定初始预应力的分布及数值。在用有限元法找形时,通常采用小杨氏模量或者干脆略去刚度矩阵中的线性部分,外荷载在此阶段也忽略。
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