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)作為國家游泳中心的外圍護系統(tǒng)在我國首次應(yīng)用，其諸多特點和突出優(yōu)勢得到認(rèn)識和驗證，推動了ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)在我國建筑領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，使其作為新型建筑圍護體系相繼出現(xiàn)在廣州南站和大連體育場等大型大跨空間結(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)，我國對ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識與研究還相對缺乏，亦沒有正式的氣枕結(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、動力松弛

2、法和非線性有限元法，而氣枕結(jié)構(gòu)的分析研究又以非線性有限元法為主。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，剛體位移與彈性變形共存，表現(xiàn)出很強的幾何非線性，傳統(tǒng)有限元在處理此類問題時有較多限制。
　　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，其能有效處理機構(gòu)運動、彈塑性、大變形、大變位、斷裂、碰撞以及倒塌等強非線性問題或不連續(xù)行為，表現(xiàn)出很強的適應(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。通過推導(dǎo)最為簡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，編制了桿單元計算程序分析了桁架靜力和機構(gòu)運動問題，并用于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的找形分析，驗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。
　　進一步推導(dǎo)了向量式有限元三節(jié)點三角形常應(yīng)變膜單

4、元理論公式，編制了膜單元計算程序，通過模擬氣囊充氣問題驗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，完善計算程序，闡明分析步驟，對正三角形、矩形及正六邊形氣枕結(jié)構(gòu)進行了找形分析，并與ANSYS結(jié)果對比分析，充分驗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種常見荷載工況下的靜力行為，