氣肋式膜結(jié)構(gòu)充氣展開及泄氣倒塌分析.pdf

1、氣肋式膜結(jié)構(gòu)是一種由氣密的細(xì)長(zhǎng)薄膜構(gòu)件及封閉在薄膜內(nèi)的壓縮氣體組成的空間結(jié)構(gòu)體系，具有自重輕、跨度大、造價(jià)低、可拆收并重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。隨著相關(guān)荷載試驗(yàn)及理論分析研究的不斷豐富和發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于民用、軍事、航天等領(lǐng)域。但氣肋構(gòu)件細(xì)長(zhǎng)、輕柔，在充氣施工過程中常出現(xiàn)展開困難、甚至薄膜破損等問題，在使用階段若遭遇突發(fā)泄氣倒塌還可能引起疏散困難等，當(dāng)前相關(guān)研究尚不多見。
　　本文以氣肋拱為研究對(duì)象。在總結(jié)、調(diào)研了國(guó)內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)及理論發(fā)展?fàn)?/p>

2、況的基礎(chǔ)上，通過動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、數(shù)值仿真分析、及實(shí)用分析理論推導(dǎo)三個(gè)方面對(duì)其充氣展開及泄氣倒塌行為進(jìn)行了研究：
　?。?）根據(jù)動(dòng)態(tài)展開及倒塌試驗(yàn)特點(diǎn)，確定了實(shí)時(shí)氣壓監(jiān)測(cè)、全程高清攝影及攝像、及在背景墻上繪制刻度監(jiān)測(cè)位移等試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法。設(shè)計(jì)并實(shí)施了針對(duì)4組常見形態(tài)氣肋單拱和1組大型氣肋框架的充氣展開及泄氣倒塌試驗(yàn)研究，完成了相關(guān)膜材拉伸試驗(yàn)。通過試驗(yàn)，重點(diǎn)考察了氣肋展開及倒塌的基本規(guī)律，以及幾何參數(shù)、初始形態(tài)、外界輔助因素等對(duì)結(jié)構(gòu)充氣

3、成形及泄氣倒塌行為的影響等。結(jié)果表明，氣肋結(jié)構(gòu)的展開及倒塌行為規(guī)律性較強(qiáng)，其展開難度與結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)及初始鋪設(shè)形態(tài)密切相關(guān)，施工輔助措施可以顯著降低展開難度，而泄氣倒塌則受設(shè)計(jì)參數(shù)、約束條件、及設(shè)計(jì)氣壓影響較小，泄氣后整體倒塌較快，宜采取其他措施輔助疏散。
　?。?）分析、匯總了與數(shù)值仿真分析相關(guān)的理論基礎(chǔ)，選用基于經(jīng)典熱力學(xué)理論的控制體積法對(duì)氣肋充泄氣行為進(jìn)行了模擬分析。針對(duì)控制體積模型創(chuàng)建過程中存在的困難，開發(fā)了輔助應(yīng)用程序。研

4、究了有限元網(wǎng)格精度、控制體積劃分、虛擬隔膜形態(tài)等對(duì)分析的影響。探索了通過預(yù)充氣分析求解初始?xì)饷浤Ｐ汀⑼ㄟ^預(yù)泄氣分析求解初始癟氣模型、通過施加外荷載和相關(guān)約束控制癟氣模型折疊形態(tài)的間接分析方法。研究了膜材參數(shù)縮放、快慢組合充氣等對(duì)提高計(jì)算效率的輔助作用，探索了網(wǎng)格細(xì)化、減少初始褶皺等對(duì)接觸分析的改善作用。模擬了氣肋單拱及氣肋框架的充泄氣動(dòng)態(tài)過程，分析了應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)，總結(jié)了相關(guān)規(guī)律，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。結(jié)果表明，控制體積法適用于氣肋充泄

5、氣行為的動(dòng)態(tài)模擬和預(yù)測(cè)，雖然模擬形態(tài)和氣壓、體積時(shí)程曲線與試驗(yàn)值存在一定差異，但較好的預(yù)測(cè)了充氣展開氣壓及泄氣倒塌時(shí)效等關(guān)鍵參數(shù)，計(jì)算經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，適用面較廣。
　?。?）根據(jù)彈性力學(xué)及熱力學(xué)原理，結(jié)合氣肋使用環(huán)境及變形特征，推導(dǎo)了彎折氣肋展開氣壓預(yù)測(cè)公式、泄氣速率計(jì)算公式、及氣肋倒塌預(yù)測(cè)實(shí)用算法。通過算例分析，驗(yàn)證了算法的有效性及高效性，并討論了相關(guān)局限性。拓展了倒塌算法，使其同樣適用于氣承式膜結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。