浅谈张拉膜结构非线性有限元分析

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1、H类号：——UD(一密级编号工学硕士学位论文张拉膜结构非线性有限元分析顾士研究牛指导教师学利、专业学位论文主审人朱华伟王振清教授结构工程陈树华教授哈尔滨工程大学哈尔滨_[程大学硕士学位论文摘要膜结构是一种近二三十年新兴起来的建筑结构，以其独特飘逸的造型和极具张力的表现形式而为世人所喜爱。它是以高强度柔韧薄膜材料为屋顶，与支撑及张拉体系相结合，形成具有一定刚度的空间结构形状，从而承受一定外载荷的一种空间结构形式。然而，作为一种新型的结构形式，膜结构的设计理念和方法与传统的结构差异很大。由于这些薄膜

2、材料不能抵抗弯矩和压应力，又具有物理、几何的高度非线性，因此膜结构与传统结构的设计过程和方法完全不同。膜结构的设计过程主要包括找形分析、荷载分析和裁剪分析三个步骤。而其中的关键则是找形分析和荷载分析，另外由于张拉膜结构相对于其他膜结构具有更好的设计和使用性能，因此本文着重对张拉膜结构的找形分析和荷载分析加以研究。本文首先介绍了几何非线性有限元方法的基本理论，推导了索、膜单元的基本方程，为应用几何非线性有限元法进行张拉膜结构的找形分析和静力荷载分析提供了理论依据。其次，在总结膜结构两种找形思路的基

3、础上，给出了一种新的找形方法，并在已有的有限元通用程序ANSYS上实现了薄膜结构的找形，解决了膜结构设计中的一个关键问题，为准确地进一步对膜结构进行静力载荷分析奠定了基础。最后结合具体算例，对张拉膜结构的静力荷载作用下的力学性能进行了比较系统的研究，得到一些有意义的结果和结论。关键词：张拉膜结构；几何非线性；有限单元法；找形分析；荷载分析哈尔滨工程大学硕士学位论文AbstractThemembmesmmturehasbeenakindofnewdevelopedformofbuildingstr

4、uctureinnearest20-30years，whichisadoredbymostofthepeopleinthewordforitsspecial，elegantsculptandthepoweroftensileforce．Themembrane’sroofiscomposedofflexilematerialofmembranewithhi．ghstrengtlLTheroofandthesystemofcrutchandtensionedstructurecombinetobea

5、spacestructttre、砘thsomefig；icUty,whichCallbeartheexternalloads．However,asanewformofstructure．themembraneslnlctIlrcissodifferentfromthetraditionaloneintheconceptionandmethodofdesign．Becausethemembranewithhi曲physicalandgeometricnonlinearproi矧ycannotres

6、istbendingmomentorsustaincompressivestress，thedesignofitiscompletelydifferentfloratraditionalstructures．Thedesignofmembranestructureincludesform-finding，loadanalysisandcuttingpatternanalysis．Comparedwithcuaingpatternanalysis，form-findingandloadanalys

7、isaleveryimportant．Inaddition,tensionedmembranestructureisbetterthanothermembranestructuresindesignandutilization,SOthispapermainlymakesananalysisaboutthetensionedmembranestmcture’Sform-findingandloadanalysis．Inthispaper,thebasictheoryofgoometrienonl

8、inearfiniteelementmethodisintroducedfirstly．Thebasicequationsofcable-membraneelementarederived,whichprovidethetlle删cbasistoapplythenonlinearfinitedem髓tmethodtotheanalysisofform-findingandstaticloadanalysisoftensionedmembranestructure．Secondly,anewmet