膜結(jié)構(gòu)材料動力松弛法之膜結(jié)構(gòu)張力測試

    現(xiàn)在膜結(jié)構(gòu)是在新型膜材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)形式，因其白重輕、施工周期短、透光性好、豐富的建筑表現(xiàn)力等優(yōu)點而在體育建筑、公共建筑等方面得到了廣泛應(yīng)用膜材料是一種柔性的，具有強非線性和各向片性的材料，膜結(jié)構(gòu)的設(shè)訃在很大程度上取決于膜材料的性能，了解膜材料的特性對于膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要建筑膜結(jié)構(gòu)由柔性薄膜張拉而成，依賴于結(jié)構(gòu)的幾何曲面和膜內(nèi)張力來提供必需的剛度，膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要步驟是找彤分析，其目的是找出滿足建筑要求的空間形狀及與之對應(yīng)的張力分布裁剪分析是膜結(jié)構(gòu)特有的一個分析步驟，其目的是將由找形得到的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)的空間曲面進行剖分、轉(zhuǎn)換成無應(yīng)力的平面下料圖，以便將平面膜材熱合成整體，冉施加預(yù)應(yīng)力以張成設(shè)計曲面合適的膜內(nèi)張力是膜面能夠張成并承受荷載的保證，方便快捷的對膜內(nèi)張力進行現(xiàn)場測量是保證膜結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的要求 針對上述幾點，本文的土要內(nèi)容如下

    1．概述了建筑膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及其應(yīng)用現(xiàn)狀，對膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容及其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了詳盡的淪述

    2．對一種PVDF涂層的聚酯纖維膜材進行實驗研究制作了經(jīng)向、緯線和45°斜向的條狀單軸試件和十字形雙軸實驗試件，分別進行了單軸拉伸和雙軸拉伸實驗，其中雙軸實驗采用了自行設(shè)計的實驗裝置通過單軸實驗確定了膜材不同方向的單軸拉伸強度，全程拉伸曲線雙軸拉伸實驗則得到了膜材的彈性模量和泊松比等參數(shù)，并深入了解膜材的變形性能，全面理解了膜材的材料特性，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析奠定了基礎(chǔ)

    3．從板殼力學(xué)的平衡方程出發(fā)，證明了膜內(nèi)符點處處相等的膜內(nèi)應(yīng)力分布將得到最小曲面，而平衡應(yīng)力分布則得到平衡曲面

    4．應(yīng)用動力阻尼的動力松弛法進行了膜結(jié)構(gòu)的找形分析動力松弛法解幾何非線性問題的一個顯著優(yōu)點是不需要計算結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣和求解整體剛度矩陣方程，然而它所需要的迭代次數(shù)較多本文在找形過程中根據(jù)結(jié)構(gòu)位形的變化重新計算節(jié)點剛度、質(zhì)量，不斷調(diào)整計算參數(shù)，從而加快計算的收斂算例說明，用改進后的動力松弛法進行膜結(jié)構(gòu)的找形分析，與在整個找形過程中采用同一計算參數(shù)相比較，大大減少了迭代次數(shù)由于忽略膜內(nèi)剪切剛度，找形過程中單元變形較大，可通過結(jié)點坐標(biāo)多步提升到位來解決問題

    5．本文給山了兩種膜結(jié)構(gòu)曲面模擬的方法，通過對找形得到的散亂節(jié)點進行分片二元三次樣條插值，得到整體C<,0>連續(xù)和C<&apos;1>連續(xù)的光滑曲面，適用于任意多邊形區(qū)域兩種插值方法均能給出膜曲面的滿意表現(xiàn)C<&apos;1>插值曲面的誤籌遠小于C<&apos;0>插值曲面對兩種插值方法，模擬曲面的誤籌均隨著初始網(wǎng)格尺度與平面總尺寸的比值減小而下降，在初始網(wǎng)格尺度與平面總尺寸的比值小于18之后，擬合曲面的精度變化隨該比值的下降變化值逐漸不明顯

    6．曲面上的測地線與平面上的直線有許多相似的性質(zhì)，測地線的直線性質(zhì)使其成為最適白的也是目前應(yīng)用最為廣泛的裁剪縫可以證明，連接平滑曲面上任意兩點的彈性絀絲當(dāng)拉緊時具有測地線的彤狀本文在曲面上指定兩點問引入彈性索，使其在曲面上自由滑移，并用動力松弛法尋找其平衡位置，即得測地線軌跡

    7．采用測地線劃分曲面，應(yīng)用最小極值法進行曲面的展開首先將曲面離散為空問二三角形網(wǎng)格，假設(shè)曲面已近似展開為平面，調(diào)整展丌平面中節(jié)點的位置，使平面網(wǎng)格中各三角彤的邊長曲面網(wǎng)格國對應(yīng)的邊長之籌最小，從而求得空間曲面的平面近似展丌本文將上述展開過程歸納為一個無約束的極值問題，并用蒙特卡洛法求解非線性方程對于曲面上測地線的尋找和空間曲面展開分別給山了算例，用可展曲面圓柱面驗證提山方法的正確性，并應(yīng)用提山的方法給出了一個菱形馬鞍膜面的裁剪樣式

    8．通過實驗證明超聲儀測試膜材的超聲波傳播速度時具有方便、準確、可重復(fù)測試的特點，探討了膜材不同方向張力比例對超聲法測試的影響通過嚴格的實驗室標(biāo)定實驗，建立了超聲法測試膜材經(jīng)緯向張力的標(biāo)準曲線經(jīng)過較大范同內(nèi)的標(biāo)準張力試什的驗證，取得了較好的驗證精度。

 

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