1117x
003571
2024-01-16

找形过程

基本的找形过程

膜结构材料只能承受拉力, 所有荷载只能通过拉力传递。 为了保证膜结构有足够的强度和稳定的形状,必须提供合适的预应力。

因为膜材没有抗弯刚度,膜曲面的形状由预应力决定,所以形状的判定不能脱离预应力单独进行。 每个空间力平衡系统(即预应力平衡)都唯一地决定了膜结构的空间形状。 通过定义边界条件和平衡状态下的预应力来确定膜结构的实际形状。 根据定义的预应力对膜结构的形状进行搜索称为形式查找

找形分析有两种不同的方法:

  1. 定义边界条件和预应力 ➝ 寻找相应的平衡形式。
  2. 定义膜的边界条件和形状(变形) ➝ 寻找平衡预应力。

这两种方法都是有效的,并且各有其优点。 但是形状和预应力的相互作用关系这一点决不能忽略。 使用第二种方法,更容易确定最终形状,而使用第一种方法则更容易确定最终预应力。

由于预应力对结构的承载能力和使用寿命至关重要,所以在模块'找形'中也可以找到这种方法。

找形分析的主要功能

膜结构形状与预应力 直接相关, 所使用的织物的属性是无关紧要的。 找形分析不取决于材料 。

膜结构的形状除了受边界条件和预应力,还受到荷载的影响。 因此对于充气膜需要寻找平衡形状(预应力已知)和内压。

自重荷载也会影响找形分析。 根据给定的预应力、自重和内部压力可以找到相应的形状。 通常由于织物的自重很小,所以在找形过程中使用的自重几乎不会影响最终的形状和预应力。

找形的逼近法

通过 、平衡预应力或者预应力和荷载(内部压力、自重)的平衡可以明确定义膜结构的形状。 但是确定平衡预应力,即空间平衡力系并不容易。

在对膜结构进行分析设计时,各向同性预应力通常是唯一一个可以事先定义的平衡预应力。 但是就实际形状和之后的非线性分析而言,这样定义的预应力并不总是合适的。 此外,由于特定的边界条件,可能符合已定义的各向同性预应力的形状根本不存在。

所以在找形分析过程中有时需要定义正交各向异性预应力 。 定义一个平衡状态下恒定的正交各向异性预应力的前提是每个面的高斯曲率都要为零(例如平面或圆柱面), 双曲面膜结构不具有此特性。 因此必须设计膜具有一般的空间正交各向异性。
提供预应力。 然而这需要一种工具,在两个方向(经向和纬向)上给定预应力之后,借助该工具可以不仅找到平衡形状,还可以找到平衡预应力,这个不切实际。

在'形状查找'中,有两种计算平衡形状和平衡预应力的方法 - 投影法和标准法。 这两种方法都基于 K. 著名的找形法Updated Reference Strategy (URS)。 U. BLETZINGER 和 E. RAMM from 1999 参照 [1 ]。

提示

通常,投影法有利于高圆锥形状,而标准法适用于点、弧形支撑或气动稳定的膜。

对于圆锥形状,投影法 (1) 不像标准法 (2) 那样收缩:

尽管两个帆的形状相同,但标准法 (2) 比投影法 (1) 更接近于施加的预应力:

投影法

如前所述,在实际工程中几乎不可能在空间定义一般平衡预应力。 但是平面除外,在平面上除了可以定义各向同性预应力外,还可以定义恒定正交各向异性预应力(正交排列的预应力)。 此外,如果沿径向定义了预应力 ,则可以根据平衡条件计算所有相邻点的切向预应力。

信息

在一个平面上,您可以清楚地定义一个力平衡体系。

投影法使用这些条件,该法基于在全局 XY 平面上定义的预应力投影到膜结构的实际位置上。 如果膜面与全局 XY 面的夹角为零,则膜面预应力符合给定的值。 如果膜面与全局 XY 面的夹角不为零时,沿经线的预应力增加,沿纬线的预应力减少。 如果膜面与全局 XY 面的夹角几乎垂直,沿经线的应力会显著增加,而沿纬线的预应力则接近于零。

提示

投影法特别适用于圆锥膜和圆锥结构。

通过这个方法,全局 X 和 Y 保持预应力平衡。 在找形分析过程中,程序寻找空间中膜结构的布局,该布局保证全局 Z 轴预应力平衡。 在投影中确定平衡预应力 的投影法可以确定空间平衡预应力,因此可以找到膜结构的空间形状。

使用更新的参考策略[1 ] 方法找到平衡状态。 因此,找形分析过程是一个非线性问题。

标准方法

标准法与投影法有本质的不同: 给定的预紧力没有改变(稳定)。 在确定平衡形状时,标准方法是基于两个给定的预应力值,即经向和纬向的预应力。

信息

标准方法描述了一个可以在空间中自由移动到目标位置的面张力矢量。 相比之下,投影法描述的表面张力矢量可以固定在其 XY 坐标上,从而可以半自由地移动。

通常指定一个物理不平衡的预应力(除各向同性预应力以外)。 因此无法预料的是,当在经向施加正交各向异性预应力 B. 2.0 kN 和在纬向施加 1.0 kN 时,膜结构的形式和预应力完全满足这些要求。 因为通常不能根据一个恒定的正交各向异性预应力找到相应的解,所以在迭代过程中反复使用该预应力时,形状不会收敛到平衡位置。 由于这个原因,选择的膜结构预应力只在一定的迭代次数中被使用。 然后是稳定化。

提示

标准方法适用于点支撑、弧形支撑和气动稳定的膜。

标准方法利用了这样一个事实,即如果为膜结构指定不平衡的预应力,那么垂直于膜平面的变形比膜平面的变形更频繁。 对指定的预应力定义的迭代次数一旦达到,结构就稳定。 通常得到的预应力非常接近指定的值。 标准方法同样也基于找形法Updated Reference Strategy [1 ]。

找形分析组合结构(膜、绳索)

在'找形'中,膜的形状是根据给定的预应力值确定的,但也可以定义对绳索的几何要求,例如: B. 最终的缝合高度或长度。

膜结构通常包含很多刚性结构构件(梁、板、壳等)。 在找形分析过程中寻找整个结构的平衡形状。 膜面内和索中的预应力作用在刚性结构构件上,这些刚性结构构件必须达到足够的强度,来抵抗该预应力。

如果不希望刚性单元参与找形过程,
您可以使用 结构调整 建筑条件分析) 定义临时状态。 这使得在找形过程中可以固定单元,并映射这些状态下的刚度。

提示

必须单独评估哪种变型更符合预期的建筑安装方式。

虽然两个帆的形状相似,但与节点支座 (1) 的简化相比,柱子 (2) 的刚度对内力的形状和过程有影响:


参考
  1. Bletzinger, K.-U.; Ramm, E.: A General Finite Element Approach to the Form Finding of Tensile Structures by the Updated Reference Strategy, International Journal of Solids and Space Structures 14, Seiten 131 - 146. Amsterdam: Elsevier, 1999
父截面