浅谈基于几何非线性有限元的膜结构找形分析

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1、郑州大学硕士学位论文基于几何非线性有限元的膜结构找形分析姓名：曹延波申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：童丽萍20070420郑州大学硕士学位论文摘要膜结构是现代空间结构体系的一个重要分支，凭借丰富多彩的造型、适宜的经济性、优异的建筑和结构特性，从其诞生就迅速在世界各地发展起来。与传统结构设计不同，膜结构设计主要包括四个阶段：方案设计、找形分析、荷载分析、裁剪分析。其中，找形分析是膜结构工程设计的基础和关键，关系到整个结构体系是否合理、经济、美观。本文在总结国内外膜结构找形分析研究现状的基础上，基于几何非线性有限元理论对膜结构的找形分析作

2、了系统的研究，主要研究内容如下：首先，介绍了几何非线性有限元的基本理论，按照u．L式推导了用于膜结构找形分析的三角形膜单元和两点直杆索单元的几何非线性有限元基本方程。选择了求解膜结构非线性有限元方程的合理迭代方法和收敛准则，加快了迭代收敛速度，提高了找形计算效率。其次，基于几何非线性有限元理论，创新地提出了膜结构找形的全新设计法——“形”“态”结合法，采用支座提升方式和温度作用对膜施加初始预应力来得到预求的膜结构形状，实现了膜结构“形”和“态”的结合，能够准确、快速地进行膜结构的找形分析。并在“形”“态”结合找形方法基础上，引入膜结构下部支承体

3、系，提出了考虑支承体系的协同找形方法，以探讨支承体系对找形分析的影响程度。再次，给出了“形”“态”结合找形方法和协同找形方法在ANSYS上的实现过程和关键处理，为今后膜结构找形分析提供软件使用上的参考。最后，根据“形”“态”结合找形方法和实现过程，借助ANSYS对三类不同类型的膜结构工程实例(刚柔性组合支承膜结构、骨架式膜结构、封闭式组合膜结构)进行了找形分析，验证该法的合理性和有效性；然后在此基础上，按照协同找形分析的方法，采用ANSYS分别对上述三类不同类型膜结构工程进行了考虑支承体系的协同找形分析，并与无支承的找形结果进行比较，明确了协同

4、找形的意义，为类似膜结构工程找形分析提供了参考。关键词：膜结构；几何非线性有限元；找形分析；“形”“态”结合；协同找形；支座提升；温度作用；预应力；ANSYS郑州大学硕士学位论文ABSTRACTMembranestructureisanimportantbranchofmodernspacestructuresystem．Foritsrichandcolorfulforming,pmpereconomicalefficiency,outstandingarchitecturalandstructuralcharacteristics，membr

5、anestructureisrapidlydevelopedallovertheworld．Thedesignofmembranestructurewhichisdifferentfromtraditionalstructuresmainlycontainsfourphases：projectdesign，form-findinganalysis，loadanalysisandcuttingpattern．Form—findinganalysisisthebaseandkeyofthedesignformembranestructure,whi

6、chwillinfluencewhetherthewholestructuresystemissound，economicalandhandsome．Aftersummarizingtheresearchontheform—fmdingofmembranestructurehomeandabroad，thispaperisbasedonthegeometricnonlinearfiniteelementtheory,deeplyworksovertheform—findingofmembranestructureanddiscussesthef

7、ollowingseveralaspects．Firstly,presentsthegeometricnonlinearfiniteelementtheory,educesthegeometricnonlinearfiniteelementequationsoftriangularmembraneelementandtwo-nodecableelementappliedintheform-findinganalysisaccordingtoU．L．Theiterationapproachandconvergencecriterionhavebe

8、enproperlyadoptedtodealwithsuchequations，whichCanacceleratetheconvergenceof