18x

002008

Stefan Hoffmann, M.Sc.

2026-04-23

Моделирование и имитация надувных конструкций в RFEM 6 (надувные подушки)

Моделирование и симуляция надувных конструкций, таких как воздушные подушки из ЭТФЭ-пленки, требуют точного отображения нелинейного несущего поведения, которое определяется предварительным напряжением, мембранным эффектом и жесткостью, вызванной давлением. RFEM 6 предлагает мощный инструмент для этого, с помощью которого можно последовательно учитывать формообразование, состояния давления и большие деформации. Благодаря комбинации подходящих моделей материалов, нелинейных методов решения и специальных мембранных элементов, RFEM 6 позволяет проводить реалистичный численный анализ и тем самым поддерживает надежное проектирование и расчет пневматических конструкций в мембранном строительстве.

Надувные пленочные подушки обладают сильно нелинейными несущими характеристиками, которые могут быть реалистично рассмотрены только с помощью подходящих численных методов. RFEM 6 предлагает для этого специализированные инструменты для формообразования, моделирования давления и анализа больших деформаций. Это позволяет точно моделировать и безопасно рассчитывать структурное поведение пневматических мембранных конструкций.

1. Основы

Надувной корпус в основном состоит из наполненного воздухом мешка из пленки с внутренними и внешними жесткостями. Форма мешка из пленки под давлением зависит от нескольких факторов:

установленного давления или объема воздуха, введенного в пленочную подушку,
распределения напряжений в мембране в пленочной оболочке и
месторасположения и выполнения жесткостей.

2. Подход

RFEM 6 предлагает значительное преимущество по сравнению с RFEM 5. В RFEM 6 в одной модели могут одновременно симулироваться несколько форм с использованием начальных состояний. Поведение при регулировке давления или распределении напряжений в мембране может быть удобно сопоставлено.

Общий порядок действий следующий:

Откройте RFEM 6 и активируйте доплнительное приложение для формообразования
Определите материал для окружающего пленочного материала и заключенного воздуха
Смоделируйте геометрию пленочной подушки из мембранных элементов, включая жесткости, посредством грубого приближения к желаемой целевой геометрии
Определите объем газа в мешке из пленки с описанием атмосферы
Установите формообразующие нагрузки для процесса формообразования на пленочном корпусе
Определите внутреннее давление пленочной подушки для процесса формообразования через нагрузку давлением газа
Установите реалистичное закрепление корпуса пленочной подушки
Запустите расчёт сценария нагрузки, чтобы оценить желаемую целевую геометрию
Создайте другие сценарии нагрузок, такие как снег и ветер
Скомбинируйте начальные состояния с вашими комбинациями нагрузок

3. Пример

Я обращаюсь к примеру 3.8 из книги [1]. Рассмотрим следующую пленочную подушку:

Пример 3.8 - Пленочная подушка
Пролёт	B	4 m
Длина	L	12 m
Материал	E_x = E_y	300 kN/m
Собственный вес	g_k	пренебрегается
Внутреннее давление для долговременной нагрузки	p_i,k	0,3 kN/m²
Внутреннее давление для снега	p_i,k	0,6 kN/m²
Снег	s_k	0,52 kN/m²
Ветряное отсасывание	w_s,k	0,78 kN/m²
Сила	n_x = n_y	1,56 kN/m (в центре подушки)
Провисание	f₀	0,4 m (в центре подушки)

KB 2008 | РВ-матрица 'Пленочная подушка'

Начальная форма определяется заданной силой и внутренним давлением следующим образом:

KB 2008 | Начальная форма

3.1 Комбинация нагрузок 1: Внутреннее давление и снег, открытый объем

Представлено табличное сравнение с данными из литературы [1].

Комбинация нагрузок 1: Внутреннее давление и снег, открытый объем
Результаты	аналитически	численно	RFEM 6
Высота f_верх	0,374 m	0,355 m	0,345 m
Сила n_y,верх	0,55 kN/m	0,57 kN/m	0,53 kN/m
Высота f_низ	0,434 m	0,432 m	0,425 m
Сила n_y,низ	2,99 kN/m	2,91 kN/m	2,91 kN/m

Различие между численными решениями и аналитическим решением уже упоминается в литературе. Численное решение литературы ссылается на упрощенную сетку для определения значений. Решение RFEM 6 использует 3D вычислительную модель с поверхностями и объемами.

KB 2008 | ГН 1 - Результаты

3.2 Комбинация нагрузок 2: Внутреннее давление и снег, закрытый объем

Представлено табличное сравнение с данными из литературы [1].

Комбинация нагрузок 2: Внутреннее давление и снег, закрытый объем
Результаты	аналитически	численно	RFEM 6
Внутреннее давление p₀	0,3 kN/m²	0,3 kN/m²	0,3 kN/m²
Объем V₀	2,147 m³	2,146 m³	20,10 m³

Внутреннее давление p₁	0,577 kN/m²	0,579 kN/m²	0,585 kN/m²
Объем V₁	2,142 m³	2,135 m³	20,04 m³

Высота f_верх	0,367 m	0,346 m	0,352 m
Сила n_y,верх	0,32 kN/m	0,44 kN/m	0,40 kN/m
Высота f_низ	0,430 m	0,429 m	0,424 m
Сила n_y,низ	2,84 kN/m	2,81 kN/m	2,81 kN/m

KB 2008 | Этап проверки 2 - Результаты

3.3 Комбинация нагрузок 3: Внутреннее давление и ветряное отсасывание, открытый объем

Представлено табличное сравнение с данными из литературы [1].

Комбинация нагрузок 3: Внутреннее давление и ветряное отсасывание, открытый объем
Результаты	аналитически	численно	RFEM 6
Высота f_верх	0,475 m	0,473 m	0,469 m
Сила n_y,верх	4,80 kN/m	4,75 kN/m	4,80 kN/m
Высота f_низ	0,40 m	0,399 m	0,390 m
Сила n_y,низ	1,56 kN/m	1,56 kN/m	1,56 kN/m

KB 2008 | Этап строительства 3 - Результаты

3.4 Комбинация нагрузок 4: Внутреннее давление и ветряное отсасывание, закрытый объем

Представлено табличное сравнение с данными из литературы [1].

Комбинация нагрузок 4: Внутреннее давление и ветряное отсасывание, закрытый объем
Результаты	аналитически	численно	RFEM 6
Внутреннее давление p₀	0,3 kN/m²	0,3 kN/m²	0,3 kN/m²
Объем V₀	2,147 m³	2,146 m³	20,10 m³

Внутреннее давление p₁	0,02 kN/m² (отрицательное)	0,0 kN/m²	0,02 kN/m²
Объем V₁	2,154 m³	2,147 m³	20,16 m³

Высота f_верх	0,447 m	0,448 m	0,443 m
Сила n_y,верх	3,55 kN/m	3,61 kN/m	3,68 kN/m

KB 2008 | СТУ 4 - Результаты

Оценка

Значения наших вычислений явно соответствуют аналитическим и численным значениям из литературы, за исключением небольших отклонений. Различие в объеме вероятно связано с небольшой ошибкой в документе, где запятая была смещена.

4. Заключение

Проведенные моделирования и симуляции показывают, что RFEM 6 благодаря своим мощным материалам, нелинейным расчетным возможностям и гибким граничным условиям отлично подходит для анализа надувных конструкций. Особенно для пленочных подушек можно реалистично отобразить как несущую способность под внутренним давлением, так и взаимодействие между преднатяжением, материалом нелинейностей и геометрической жесткостью. Это подтверждает, что RFEM 6 является надежным и ориентированным на практику инструментом для инженеров, желающих планировать, оценивать и оптимизировать сложные пневматические конструкции.

5. Перспективы

Представленный метод расчета пленочных подушек может быть использован в перспективе для других пневматически стабилизированных сооружений. В частности, надувные залы имеют схожие физические принципы: тонкостенный гибкий чехол, стабилизируемый внутренним давлением и подверженный сильным нелинейным взаимодействиям между напряжением в мембране, изменениями геометрии и внешними нагрузками.

С развитием численных моделей - например, через расширенные законы материалов, сопряженные взаимодействия структура-поток и более точное моделирование изменения нагрузок - сложные конструкции надувных залов также могут быть надежно смоделированы и оценены. Это включает как учет динамических ветровых нагрузок, так и анализ концепций регулирования давления, сценариев утечки и монтажных состояний.

Тем самым открывается широкий спектр применения, в котором полученные знания из расчета пленочных подушек могут непосредственно способствовать оптимизации, безопасности и эффективности пневматических легких конструкций.

Автор

Г-н Хоффманн оказывает поддержку пользователям Dlubal в службе поддержки клиентов.

;