张拉膜结构的非线性分析和织物膜材的拉伸试验研究

摘要

该文以张拉膜结构的设计过程为线索,研究了张拉膜结构的找形分析、荷载分析和裁剪分析的方法,编制了相应的计算程序,并用该文方法利程序对张拉膜结构进行了深入的分析,另外还进行了膜材的单轴和双轴拉伸的试验研究.建筑膜材多采用织物膜材.织物膜材具有正交异性,而且只能受拉,不能承受压力和弯矩,即具有材料非线性.张拉膜结构在荷载作用下具有大变形利小应变的特性,即几何非线性.该论文以非线性有限元理论为基础,选用膜单元、索单元、杆单元和片单元,进行张拉膜结构的非线性分析,其中非线性数值解法采用牛顿迭代法以及应力和位移的双收敛准则.找形分析采用小弹性模量多次找形综合法,其本质为:用支座移动法初步找形,用节点平衡法多次精确找形.另外还研究了自重和支承结构刚度对找形的影响,以及根据膜结构建筑外形和膜内张力来初步确定索内预张力.荷载分析采用非线性有限元法,分析了积雪分布系数、弹性模量和泊松比对膜结构荷载分析的影响.张拉膜结构模态分析采用切线刚度矩阵,研究了预张力和支承结构对膜结构自振周期的影响.裁剪分析中直接以测地线作为裁剪线.测地线确定采用几何法,膜曲面展平计算采用儿何非线性片单元和杆单元有限元法,并能考虑预应力释放和徐变引起的膜片收缩.对织物膜材进行了单轴和双轴拉伸试验,了解了织物膜材的力学性质,测定了试验膜材的力学参数,并对单轴和双轴拉伸试验结果进行了对比研究.最后,对该文的研究工作进行了总结,指出该文的主要研究结论及后续研究方向.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1膜结构建筑简介

1.1.1膜结构从临时性结构向永久性结构的发展历史

1.1.2膜结构形式分类

1.2织物膜材简介

1.3张拉膜结构分析简介

1.4本文主要研究内容

第二章张拉膜结构非线性有限元分析理论

2.1张拉膜结构分析方法和基本假定

2.2杆单元和索单元以及片单元和膜单元

2.2.1杆单元和索单元

2.2.2片单元和膜单元

2.3牛顿迭代法

2.3.1非线性问题求解方法

2.3.2迭代法

2.3.3牛顿迭代法

2.3.4收敛准则

2.4小结

第三章找形分析

3.1非线性有限元法找形

3.1.1小弹性模量法

3.1.2支座移动法和节点平衡法

3.1.3小弹性模量多次找形综合法

3.2最小曲面和等应力曲面

3.3等应力膜曲面找形条件下索初始内力的确定

3.3.1边索初始内力的确定

3.3.2内索和外索初始内力的确定

3.4编制的程序流程

3.5找形分析算例

3.5.1旋转悬链面

3.5.2菱形双曲抛物面

3.6膜结构自重对找形的影响

3.6.1旋转悬链面

3.6.2菱形双曲抛物面

3.6.3对比分析、结论与建议

3.7支承结构对找形的影响

3.7.1南京万科金色家园二期景观泳池膜结构工程

3.7.2南京中医药大学仙林校区揲场看台索膜结构工程

3.7.3对比分析、结论与建议

3.8小结

第四章荷载分析和模态分析

4.1膜结构使用年限内基本雪压和基本风压的计算

4.2积雪分布系数对膜结构的影响

4.2.1旋转悬链面

4.2.2菱形双曲抛物面

4.2.3南京万科金色家园二期景观泳池膜结构工程

4.2.4南京金马湖小学屋盖索膜结构工程

4.2.5对比分析、结论和建议

4.3弹性模量变化对膜结构的影响

4.4泊松比变化对膜结构的影响

4.5张拉膜结构的模态分析

4.5.1基本理论

4.5.2膜结构的自振周期与预应力水平的关系曲线及其振型

4.5.3支承结构对膜结构自振频率的影响

4.5.4结论

4.6小结

第五章裁剪分析

5.1裁剪分析简介

5.1.1裁剪分析内容

5.1.2不可展曲面和可展曲面

5.1.3预应力和徐变的影响

5.1.4裁剪分析的原则

5.1.5裁剪分析的程序框图

5.2裁剪线的确定

5.2.1裁剪线确定方法简介

5.2.2几何法确定测地线，并以测地线为裁剪线

5.2.3基于几何法寻找测地线，以确定裁剪线的方式

5.3膜曲面展平

5.3.1膜曲面展平方法

5.3.2几何非线性片单元和杆单元有限元法

5.3.3编制的程序流程

5.4算例

5.5小结

第六章织物膜材的单轴和双轴拉伸试验

6.1试验膜材简介

6.2单轴拉伸试验

6.2.1单轴拉伸材性试验

6.2.2焊缝强度试验

6.3双轴拉伸试验

6.4小结

第七章结论与展望

7.1主要结论

7.1.1张拉膜结构非线性有限元分析理论

7.1.2找形分析

7.1.3荷载分析

7.1.4裁剪分析

7.1.5织物膜材的单轴利双轴拉伸试验

7.2展望

致谢

参考文献

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