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1、第22卷第1期结构工程师Vo.l22,No.12006年2月StructuralEngineersFeb.2006充气膜结构非线性分析的ANSYS实现江锡虎谢步瀛陈慧进(同济大学,上海200092)提要考虑充气膜结构几何大变形、小应变的主要特点,以非线性有限元知识为基础,进行包括形态、受荷、模态等全过程受力分析。运用分析软件ANSYS8.1,对充气膜结构各不同过程进行非线性有限元分析,以达到最优形态。关键词充气膜结构,几何大变形,非线性,形态,受荷,模态StaticandDynamicNon-linear
2、FiniteElementAnalysisofAir-supportedMembraneStructuresbyANSYSJIANGXihuXIEBuyingCHENHuijin(TongjiUniversity,Shanghai200092)AbstractConsideringtheoutstandingadvantagestothegeometricallargedistortionandsmalldeformationofair-supportedstructuresandonthebasisofnon-li
3、nearfiniteelementknowledge,theprocessofformfind-ing,loadingandmodecalculationisanalyzed.WiththeanalysissoftwareANSYS,differentprocessesareana-lysedbythefiniteelementmethodtofindthebestoptimizeshape.Keywordsair-supportedmembranestructure,geometricallargedistortion,n
4、on-linear,formfinding,loading,mode1引言2充气膜结构的ANSYS非线性分析理论充气膜结构是一种新型的建筑空间结构,是[2,3]2.1充气膜结构初始形态ANSYS分析理论以柔性结构体系来承受屋面风荷载和雪荷载等各[1]种外荷载的作用。由于膜结构这种特点以及初始形态分析是充气膜结构受力分析中的第膜材的特殊性,充气膜结构设计分析过程也不同一步,属大位移小应变问题,首先必须假定合理的于以往的钢筋混凝土和钢结构等的设计分析。充内压范围和相应的膜初应力大小,找形后形状必气膜结构的结构计算包括初始形
5、态分析、受荷分须满足造型和使用功能上的要求,再逐步调节内析和模态分析等内容。膜结构由忽略其自身微小压、膜初应力等参数,逐步迭代分析计算,直到完的自重和自平衡预张力,不承受任何外部荷载的全符合建筑设计要求。对于跨度较大的充气膜结零态,在确定的边界条件及所施加的预应力的分构,可以采用索加强,根据充气膜的几何体形协调布和大小后所形成的初始态,在外荷载、自重及考条件和平衡条件确定索的布置、索张力大小,以减虑材料张力作用的工作态之间膜面主应力方向、弱与风荷载的耦合效应,使结构受力更加合理,造预张力的大小变化、形态变形过程和趋势等是相型更
6、加美观。互联系、相互制约的,必须从全过程、一体化的角ANSYS软件对充气膜结构的初始形态找形度加以考虑。时采用小杨氏弹性模量曲面自平衡迭代法建模。结构分析39结构工程师第22卷第1期首先,在平面定义一个与目标几何造型的垂直投时步n的应力可以表示为nn-1n影边界膜片,划分有限元网格,建立结构平衡方=+程,引入初始预张拉应力系统;然后,将小杨氏弹由上式可知:若令弹性模量为零,则应力增量nn-1性模量还原,并同时采用降温法协调以获得所需为零,则=,这样膜材
7、在找形过程中就空间曲面和预应力,同时调节内压、膜初应力、索能够保持恒定的初始应力,同时就得到了初始预拉力等获得所需要的初始形态。应力分布下的几何形状。但在实际找形计算中弹小杨氏弹性模量曲面自平衡迭代法的弹性模性模量为零时,会导致ANSYS软件无法计算。因量取值较小,为实际值的千分之一,使得膜面易于此在运用ANSYS进行充气膜结构初始形态分析张拉而容易得到所需要的几何形状,且初始位形时通常采取小杨氏弹性模量,这样在找形过程中向目标位形过渡过程中产生的附加应力很小,可膜材的初始应力变化较小,可得到要求的造型形以忽略不计。因此,最终
8、迭代得到的目标曲面便状。可以保持初始设定的预应力状态。同时,在非线2.2初始形态的ANSYS实现方法性求解过程中,小弹性模量对加强收敛也有较明显的作用。采用小弹性模量技术使得充气膜结构充气膜结构初始形态分析时,其有限元网格初始形态确定由一个数学过程转化为一个力学过划分的疏密
