索杆梁膜结构体系的协同找形分析研究及程序设计

摘要

该文在回顾索杆梁膜结构体系的发展历程、研究现状和工程应用的基础上,给出了索杆梁膜结构体系的定义,强调膜材不仅仅是一种屋面覆盖材料,而且是一种受力构件,成为结构受力体系的一部分.详细介绍了膜材和索材的发展,应用、力学性能和分类,针对只承受自重作用的斜拉索,确定了拉索挠度和张拉力之间的计算关系,并推导了满足挠度要求的拉索最小张拉力的计算表达式.提出了索杆梁膜协同找形的新概念,针对找形分析的特点,定义了柔性单元和刚性单元,柔性索和刚性索的概念,在找形过程中,将协同工作的各种单元进行区别,使找形思路更加清晰,针对索杆梁膜结构的研究和设计的目的不同,将形态分析分成三类,提出了求解索杆结构自应力模态的新方法——找力方法,通过和奇异值分解法的计算结果进行对比,证明了该方法的正确性.并定义了第一自应力模态的概念,指出由找力方法求出的第一自应力模态对于实际结构的设计和研究有着现实的意义.根据理论公式和找形分析的特点,索杆梁膜结构体系的协同找形分析计算程序中共设计了整体类、节点类、单元类、材料类、荷载类、矩阵类和稀疏矩阵类六大类,程序采用一维变带宽存储元素,并用三角分解法(LDLT法)对线性方程组进行求解,提高了程序求解速度和效率.通过典型算例验证了理论公式和程序的正确性,为上述的各种分析研究提供了有力的计算分析工具.论文最后对上述研究内容及成果做了进一步的总结,提出了进一步工作中需要解决的若干其他关键问题.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2柔性结构的必由之路

1.3国内外对膜结构的研究现状

1.4膜结构的工程应用

1.5索杆梁膜结构体系的概念

1.6本文主要研究工作

参考文献

第二章膜材、索材及其力学性能

2.1膜材及其力学性能

2.1.1建筑膜材的发展

2.1.2膜材的选用

2.1.3膜结构的分类

2.1.4膜材的力学性能

2.1.5膜结构的特点

2.2索材及其力学性能

2.2.1钢索材料

2.2.2钢索的制作

2.2.3单索计算理论

2.3本章小结

参考文献

第三章结构找形方法综述

3.1引言

3.2张拉整体结构

3.2.1从张拉整体的概念到索穹顶

3.2.2解析求解法

3.3薄膜结构

3.3.1薄膜结构找形方法的发展

3.3.2力密度法

3.3.3动力松弛法

3.3.4非线性有限元法

3.3.5方法比较

3.3.6二次节点平衡法找形策略

3.4本章小结

参考文献

第四章基于非线性有限元法的结构找形分析

4.1大变形问题的有限单元法

4.1.1用物质描述方法表述的弹性大变形问题

4.1.2几何非线性问题的增量方法研究

4.2单元的有限元力学模型分析

4.2.1膜单元的非线性有限元分析

4.2.2杆单元的非线性有限元分析

4.2.3索单元的非线性有限元分析

4.2.4梁单元的非线性有限元分析

4.3结构找形分析

4.3.1结构找形的平衡方程

4.3.2非线性方程组的解法及收敛准则

4.4结构形态分析的分类

4.5已知预应力分布求解几何的几何形态

4.5.1程序流程图

4.5.2算例分析

4.6已知几何形状求解预应力分布

4.6.1索杆体系的自应力模态的求解

4.6.2通过找力方法确定索杆体系的自应力模态

4.6.3两种方法的对比

4.7第三类找形分析

4.7.1非协同找形方法的思路

4.7.2算例分析

4.8本章小结

参考文献

第五章协同和非协同找形分析的界限研究

5.1引言

5.2界限确定的原则与方法

5.3马鞍面膜结构协同分析界限的确定

5.4拱形梁支撑膜结构协同分析界限的确定

5.5两种结构计算结果的比较

5.6临界刚度计算公式拟合

5.6.1曲面拟和理论

5.6.2临界刚度计算公式

5.7本章小结

参考文献

第六章结构化程序设计及模块说明

6.1引言

6.2程序模块设计

6.3程序界面设计

第七章结论与展望

7.1本文的主要结论

7.2进一步的工作

致谢