用ansys解決膜結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)問題

1、用ANSYS解決膜結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)問題解決膜結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)問題膜建筑是最近才發(fā)展起來的一種新型建筑結(jié)構(gòu)，是空間結(jié)構(gòu)的重要組成部分。膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計有很大的差別，由于材料力學(xué)性能的差別，傳統(tǒng)的以磚、石、混凝土和鋼材為結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)體系，一旦結(jié)構(gòu)被賦予初始建筑幾何位形，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型便被同時確定，但是柔性的膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成材料本身沒有受壓性能，只能通過施加預(yù)應(yīng)力，使膜獲得必要的張力剛度，從而形成抵抗外部載荷的結(jié)構(gòu)抗力。膜建筑是

2、最近才發(fā)展起來的一種新型建筑結(jié)構(gòu)，是空間結(jié)構(gòu)的重要組成部分。膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計有很大的差別，由于材料力學(xué)性能的差別，傳統(tǒng)的以磚、石、混凝土和鋼材為結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)體系，一旦結(jié)構(gòu)被賦予初始建筑幾何位形，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型便被同時確定，但是柔性的膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成材料本身沒有受壓性能，只能通過施加預(yù)應(yīng)力，使膜獲得必要的張力剛度，從而形成抵抗外部載荷的結(jié)構(gòu)抗力。也就是基于這一點，結(jié)構(gòu)形態(tài)確定就成為膜建筑設(shè)計過程中一個很重要的環(huán)節(jié)。在給定

3、的邊界條件下，所施加的預(yù)應(yīng)力的分布和大小與所形成的結(jié)構(gòu)初始形態(tài)是相互聯(lián)系的，合理地確定這一初始形態(tài)和相應(yīng)的自平衡預(yù)應(yīng)力，就是膜結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)分析。由于膜材料的柔性特點，因此在不同的預(yù)應(yīng)力分布、不同的膜預(yù)應(yīng)力比例組合下便可以創(chuàng)造出不同的建筑形態(tài)，盡管建筑給定的控制邊界條件并沒有發(fā)生改變。因此，膜結(jié)構(gòu)計算狀態(tài)具有不確定性。由于結(jié)構(gòu)的大變形造成的幾何非線性使得結(jié)構(gòu)的計算模型不可能像傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)那樣，以其成型狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)動靜力學(xué)計算的模型狀態(tài)，這種

4、結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)需要通過找形來實現(xiàn)，體現(xiàn)在計算上就是結(jié)構(gòu)剛度矩陣不斷發(fā)生變化。圖1和圖2就是典型的膜結(jié)構(gòu)建筑。圖1輔助設(shè)計系統(tǒng)產(chǎn)生。②平衡態(tài)的尋找針對于初始假定的幾何形狀，引入初始預(yù)應(yīng)力尋找膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)的非線性有限元方法是離散數(shù)值算法，如支座位移提升法、近似曲面逼近法、小彈性模量自平衡迭代法。離散數(shù)值法要求對結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始離散化，基本假定如下：1）索離散化為空間鉸接兩節(jié)點桿元，膜離散化為3節(jié)點三角形平面應(yīng)力單元；2）索膜之間沒有相對滑動；3

5、）載荷等效為節(jié)點力；4）索膜張拉為小應(yīng)變，符合胡克定理；本文將以一個典型的膜結(jié)構(gòu)工程作為一個算例進(jìn)行分析。在ANSYS程序中，膜結(jié)構(gòu)形態(tài)確定分析飛一般流程如下：1）向膜結(jié)構(gòu)平面投影幾何模型；2）設(shè)定索和膜的虛擬彈性模量，通常取兩者的彈性模量比真實模量低3個數(shù)量級；3）建立單元類型、單元實常數(shù)以及單元的初始預(yù)應(yīng)力，其中索單元的預(yù)應(yīng)力實施可以采用初始應(yīng)變法；4）設(shè)定結(jié)構(gòu)的邊界條件，根據(jù)真實結(jié)構(gòu)各個邊界控制點和初始投影平面對應(yīng)控制點的相對高低

6、，設(shè)定各個支座控制點的提升位移；5）用幾何非線性求解方法，實施第一次找形，然后更新節(jié)點坐標(biāo)，將各個邊界控制點的支座位移重新設(shè)置為0；6）恢復(fù)邊界索和膜的真實彈性模量，注意需重新設(shè)定索和膜的真實預(yù)應(yīng)力狀態(tài)；7）進(jìn)行第一次自平衡迭代求解；8）重復(fù)（5）~（7），直至誤差達(dá)到允許范圍；膜結(jié)構(gòu)各參數(shù)如下：結(jié)構(gòu)外形為正方形，對角線距離為10m，高度為4m。材料參數(shù)：膜面的初始預(yù)應(yīng)力為20Ncm，張拉剛度2550Ncm，剪切剛度800Ncm，泊松比