充气薄膜垫具有强烈的非线性承载行为，仅能通过适当的数值方法才能真实地捕捉到。RFEM 6 提供了用于找形、压力建模和大变形分析的专业工具。这样可以精确模拟和安全评估气动膜结构的结构行为。
1. 基础
一般来说，充气体由一个充满空气的薄膜袋和内外加固元件组成。受压薄膜袋的形状受多种因素影响：
- 在薄膜垫上附加的压力或注入的空气体积，
- 在薄膜表面上的膜张力分布，以及
- 加固元件的局部放置和执行。
2. 过程
RFEM 6 相较于 RFEM 5 提供了许多功能优势。在 RFEM 6 中，可以在一个模型中同时模拟多个形状，使用初始状态。这样可以方便地比较压力或膜张力分布调整的行为。
一般流程如下：
- 打开 RFEM 6 并激活找形附加模块
- 定义包围薄膜材料的材料特性和包含的空气介质
- 使用膜元件建模薄膜垫几何形状，包括通过粗略近似目标几何的加固
- 在薄膜袋中定义一个气体体积并描述大气环境
- 确定在薄膜体上的找形载荷用于找形过程
- 通过气体压力载荷设定找形过程的薄膜垫内压力
- 制定薄膜垫体的真实支撑
- 计算载荷工况以评估所需的目标几何
- 创建其他载荷工况，如雪和风
- 将初始状态与您的载荷组合结合
3. 示例
我引用书籍 [1] 中的示例 3.8 进行比较。所考虑的薄膜垫如下：
| 跨度 | B | 4 m |
| 长度 | L | 12 m |
| 材料 | Ex = Ey | 300 kN/m |
| 自重 | gk | 忽略 |
| 持久内压 | pi,k | 0.3 kN/m² |
| 内压雪 | pi,k | 0.6 kN/m² |
| 雪 | sk | 0.52 kN/m² |
| 风吸力 | ws,k | 0.78 kN/m² |
| 力 | nx = ny | 1.56 kN/m (垫中心) |
| 挠度 | f0 | 0.4 m (垫中心) |
在规定力和内压力的情况下，初始形状如下：
3.1 载荷组合 1: 内压和雪，开放体积
以下是与文献 [1] 中值的表格对比。
| 结果 | 解析 | 数值 | RFEM 6 |
| 高度 foben | 0.374 m | 0.355 m | 0.345 m |
| 力 ny,oben | 0.55 kN/m | 0.57 kN/m | 0.53 kN/m |
| 高度 funten | 0.434 m | 0.432 m | 0.425 m |
| 力 ny,unten | 2.99 kN/m | 2.91 kN/m | 2.91 kN/m |
文献中已经提到了解析解与数值解的差异。 文献中的数值解引用了一个简化的索网来估算这些值。 RFEM 6 解使用了含有表面和体积的三维计算模型。
3.2 载荷组合 2: 内压和雪，封闭体积
以下是与文献 [1] 中值的表格对比。
| 结果 | 解析 | 数值 | RFEM 6 |
| 内压 p0 | 0.3 kN/m² | 0.3 kN/m² | 0.3 kN/m² |
| 体积 V0 | 2.147 m³ | 2.146 m³ | 20.10 m³ |
| 内压 p1 | 0.577 kN/m² | 0.579 kN/m² | 0.585 kN/m² |
| 体积 V1 | 2.142 m³ | 2.135 m³ | 20.04 m³ |
| 高度 foben | 0.367 m | 0.346 m | 0.352 m |
| 力 ny,oben | 0.32 kN/m | 0.44 kN/m | 0.40 kN/m |
| 高度 funten | 0.430 m | 0.429 m | 0.424 m |
| 力 ny,unten | 2.84 kN/m | 2.81 kN/m | 2.81 kN/m |
3.3 载荷组合 3: 内压和风吸力，开放体积
以下是与文献 [1] 中值的表格对比。
| 结果 | 解析 | 数值 | RFEM 6 |
| 高度 foben | 0.475 m | 0.473 m | 0.469 m |
| 力 ny,oben | 4.80 kN/m | 4.75 kN/m | 4.80 kN/m |
| 高度 funten | 0.40 m | 0.399 m | 0.390 m |
| 力 ny,unten | 1.56 kN/m | 1.56 kN/m | 1.56 kN/m |
3.4 载荷组合 4: 内压和风吸力，封闭体积
以下是与文献 [1] 中值的表格对比。
| 结果 | 解析 | 数值 | RFEM 6 |
| 内压 p0 | 0.3 kN/m² | 0.3 kN/m² | 0.3 kN/m² |
| 体积 V0 | 2.147 m³ | 2.146 m³ | 20.10 m³ |
| 内压 p1 | 0.02 kN/m² (负值) | 0.0 kN/m² | 0.02 kN/m² |
| 体积 V1 | 2.154 m³ | 2.147 m³ | 20.16 m³ |
| 高度 foben | 0.447 m | 0.448 m | 0.443 m |
| 力 ny,oben | 3.55 kN/m | 3.61 kN/m | 3.68 kN/m |
评价
除了小的差异外，我们的计算值与文献中的解析和数值值基本一致。 体积的不同肯定是由于文档中的一个小错误造成的，逗号位置有一个偏差。
4. 结论
执行的建模和模拟表明，凭借其强大的材料模型、非线性计算选项和灵活的边界条件，RFEM 6 非常适合分析充气结构。特别是在薄膜垫方面，可以真实地模拟内压下的承载行为以及预张力、材料非线性和几何刚度之间的相互作用。这证明了 RFEM 6 是计划、评估和优化复杂气动结构的工程师的可靠和实用工具。
5. 展望
所述的薄膜垫计算方法可以前瞻性地推广到其他气动稳定的结构。尤其是气膜大厅具有类似的物理基本原理：一个薄壁的、柔性的外壳，通过内压稳定，并且受到膜张力、几何变化和外部载荷之间的强烈非线性相互作用。
通过不断发展数值模型——例如扩展的材料法则、耦合流体-结构相互作用和更精确的载荷变化建模——可以可靠地模拟和评估复杂的气膜大厅结构。这包括动态风载荷的考虑以及压力控制方案、泄漏场景和安装状态的分析。
这样就打开了广泛的应用范围，其中从薄膜垫计算中获得的知识可以直接用于气动轻量建筑物的优化、安全和效率的提高。