[发明专利]一种大跨度充气膜形态分析方法

说明书

本发明公开了一种大跨度充气膜形态分析方法，本发明通过解析方法确定充气膜的初始形态，采用有限元分析进行迭代找态和逆变形找形，求得充气膜的最终平衡形态，其形态分析结果可用于充气膜荷载分析及裁切分析。该方法的论述系统全面，提高了分析计算速度和精度，弥补了现有充气膜结构设计规程的不足，可有效指导实际工程设计，可广泛应用于大跨度充气膜结构的工程设计中。

技术领域

本发明属于充气膜形态分析领域，具体涉及一种大跨度充气膜形态分析方法。

背景技术

充气膜结构因具有造型新颖多变、气密性好、移动方便、节能环保等特点，在展览馆、体育场、实验室、沼气池、航天飞行器、方舱医院、工业储料场等各类场景均得到应用，为满足无组织排放治理的环保要求，众多充气膜封闭料场相继建成，领域遍布电力、煤炭、钢铁、水泥、港口等。因场地及设备条件限制，此类充气膜结构具有外形不规则、大空间和大跨度的特点。

早期的找形分析多以等应力曲面为研究对象，采用小弹性模量法，找态分析则通过解析法直接实现。实际工程中的大跨度充气膜结构均为非等应力曲面，预张力难以通过解析解精确确定，此时找态与找形同等重要，小弹性模量法不再适用。部分文献中提出了逆变形法找形等基本思路，但缺乏可指导实际工程的大跨度充气膜设计的的形态分析方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种大跨度充气膜形态分析方法，以填补现有设计方法的空白，以更有效的指导实际工程设计。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

S1，采用若干理想高斯曲面组合构建接近目标形的充气膜初始形；

S2，根据薄膜无矩理论求得充气膜的分片预张力作为初始态；

S3，通过非线性有限元法迭代求解预应力及变形值；

S4，将求得的变形值逆向施加改变初始形；

S5，对逆变形后有限元模型再次迭代求解，得到充气膜的弹性平衡形态。

S1中，由若干理想高斯曲面组合而成的初始形包括第一柱面、第二柱面和过渡球面。

第一柱面(1)和第二柱面(2)半径的计算方法如下：

过渡球面(3)半径的计算方法如下：

式中，R₁、R₂为柱面半径，f为充气膜高度，a为充气膜短边方向长度。

S2中，柱面的初始预张力的计算方法如下：

球面的初始预张力的计算方法如下：

式中，P为膜面压力，T₁、T₂为膜面初始预张力，f为充气膜高度，a为充气膜短边方向长度。

S3中，有限元模型通过牛顿—拉普森迭代方法求解。

S3中迭代计算的次数至少为一次。

S5中逆变形的初始态采用S2中分片假定的解析解。

S5中迭代计算的次数至少为一次。

与现有技术相比，本发明通过解析方法确定充气膜的初始形态，采用有限元分析进行迭代找态和逆变形找形，求得充气膜的最终平衡形态，其形态分析结果可用于充气膜荷载分析及裁切分析。该方法的论述系统全面，提高了分析计算速度和精度，弥补了现有充气膜结构设计规程的不足，可有效指导实际工程设计，可广泛应用于大跨度充气膜结构的工程设计中。

附图说明