平面张拉膜结构静力力学性能试验及数值分析研究

摘要

张拉膜结构因其连续的结构形式和优美的外部轮廓在体育场馆及会展中心中得到广泛的使用。也正因为其结构的复杂性，张拉膜结构的设计主要通过有限元进行数值分析完成。数值分析结果的精确性在很大程度上影响着其对膜结构施工建造的指导意义。因此有必对比数值分析过程中不同因素对分析结果的影响，为后续膜结构分析提供参考。 本文的主要研究工作和结论如下： 首先，选取一种PVDF膜材为研究对象，基于能量等效法对膜材的单向拉伸曲线进行分析获取膜材料的弹性模量。基于非接触应变测量系统（DIC），通过单向拉伸试验和相框剪切试验来测量膜材料变化的泊松比和剪切模量。通过ABAQUS软件的自定义材料程序引入到膜结构分析中，为后续的结构数值分析提供重要的数据基础。 其次，进行平面张拉膜结构的静力堆载试验，主要考虑不同堆载方式、预应力等因素，分析相应的结构静力响应及变形规律。试验结果表明：平面张拉膜结构堆载试验过程中，初始位移增量最大，随着荷载的增加，位移增量逐渐减小。荷载分布方式是影响膜面竖向位移的重要因素，均布加载相对集中加载对膜面产生了更大的竖向位移。而初始预应力的改变主要影响初始加载阶段，随着堆载荷载的增加，初始预应力对膜面竖向对同等加载条件下膜面的竖向位移影响并不显著，这主要因为初始预应力值所增加的膜面面内刚度远小于后期堆载荷载所增加的，且随着膜面位移的增大，几何非线性的影响也逐渐加剧，因此进一步的削弱了初始预应力的影响。在膜结构的分析中，必须考虑加载过程中的材料刚度改变对结构分析的影响。 最后，针对上述堆载试验，进行系列有限元模拟，分别考虑单元类型，网络尺寸以及边界形式等因素的影响。与试验结果进行对比分析，研究计算模式的不定性，提出适用的有限元建模分析方法。结果表明：数值分析张拉膜结构堆载试验过程中，改变单元类型对数值分析有一定影响。其中，均匀加载试验过程中采用壳单元更为精确，集中加载试验过程中采用实体单元更为精确。而改变网络尺寸和边界形式对数值分析结果影响不大。采用实际动态模型相比线弹性模型能更为精确的模拟平面张拉膜结构的静力堆载试验，最后提出来了一个适用的数值分析方法。

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致谢

变量注释表

1绪论

1.1膜结构的发展与应用

1.2.1膜材料的力学性能研究进展

1.2.2膜结构的静力力学响应研究进展

1.2.3膜结构的数值模拟分析研究进展

1.3当前研究中存在的主要问题

1.4本文的研究内容及创新点

1.5技术路线

2 PVDF膜材力学性能

2.1概述

2.2.1单轴拉伸试验

2.2.2相框剪切试验

2.3.1膜材弹性模量测试试验

2.3.2膜材泊松比试验

2.3.3相框剪切试验

2.4本章小结

3 PVDF涂层织物类平面张拉膜结构堆载试验

3.1概述

3.2试样及装置

3.3试验方案

3.4试验结果及分析

3.5本章小结

4平面张拉膜结构静力堆载试验数值分析

4.1概述

4.2有限元模型建立

4.3.1单元类型对数值分析的影响

4.3.2网络尺寸对数值分析的影响

4.3.3边界形式对数值分析的影响

4.3.4参数形式对数值分析的影响

4.4张拉膜结构数值分析精确性衡量标准

4.4.1满布堆载

4.4.2集中堆载

4.5本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

作者简历

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