充气膜结构全过程分析和造型技术研究

论文摘要

首先对充气膜结构的研究发展状况及其基本性能特点作了较为详细的介绍，并对充气膜结构的非线性分析理论进行系统化分析。选取三结点常应变平面应力三角形膜单元，考虑其大变形、小应变几何非线性特征，采用更新Lagrange增量表达式，在充分考虑膜结构几何条件和物理条件的基础上，构造了充气膜结构的非线性有限元分析基本方程，给出相应的非线性方程组解法。 充气膜结构全过程分析包括找形分析、荷载分析和裁剪分析，相互联系、相互制约。找形分析必须首先假定合理的内压和初应力，分析后的形状必须满足建筑师对造型和使用功能上的要求。荷载分析要考察结构在各种可能的荷载作用下的工作性能以及结构是否能满足正常使用等要求。充气膜结构所承受主要外荷载是风荷载和雪荷载，在具体的计算过程中荷载值要根据所建场地的情况按荷载规范进行确定。裁剪分析是全过程分析中非常关键的一个环节，裁剪分析的准确与否直接关系到初始形态分析和受荷分析的真实性。该阶段分析如果不准确，那么在给定内压的作用下结构的形状就不符合初始形态分析所得的形状，受荷分析也就不能真实反应结构的受力性能。并对同一造型膜面采取不同的裁剪样式，通过比较选取最优裁剪样式，以提高裁剪精度。由此可见全过程分析三个阶段是相互影响、相互联系的，任意阶段出现问题都有可能导致整个分析过程的失败，因而针对该阶段出现问题做出相应的调整，直到满足要求为止。基于二维惯性理论对充气结构造型逐步充气过程进行理论分析研究，并进一步利用固体力学的薄膜无矩理论对充气结构造型进行了空间力学分析，最后通过程序对充气膜结构横断面在充气过程中逐步变化过程实时模拟。 充气造型技术是在空间曲面的基本理论基础上，首先建立若干简单充气造型单体，通过平移、旋转等空间解析几何手段，构造所需要的复杂造型轮廓。并利用空间解析几何和计算机仿真技术，将曲面离散为平面三角形，通过数据接口直接导入三角形单元及节点信息；并将相应参数域剖分，得到离散数据。通过包围盒法求交得到相贯线。在此基础上，结合平面布尔运算及空间实体布尔运算准则，运用点面特征法裁剪的消隐技术的实现。最终构造出理想的复杂充气仿真造型。利用Visal Basic程序，运用算例利用本文的充气造型相贯线生成技术和造型消隐技术，得到满意的造型曲面。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 充气膜结构发展概述
• 1.1.1 充气膜结构工程介绍
• 1.1.2 充气膜结构主要特点
• 1.2 充气膜结构研究与发展现状
• 1.2.1 充气膜与张拉膜比较
• 1.2.2 国外研究发展状况
• 1.2.3 国内充气膜研究发展状况
• 1.3 充气膜结构分类
• 1.3.1 气承式膜结构
• 1.3.2 气肋式膜结构
• 1.4 膜材的基本性能
• 1.4.1 膜材的基本构成
• 1.4.2 膜材的基本性能
• 1.4.3 膜材的力学性质
• 1.4.4 膜材的粘弹性效应
• 1.5 本文的主要研究工作
• 第2章 充气膜结构非线性有限元分析
• 2.1 几何非线性有限元基本知识
• 2.1.1 几何大变形的应力和应变
• 2.1.2 更新Lagrange格式的虚位移原理
• 2.2 膜结构非线性有限元基本理论
• 2.2.1 膜单元
• 2.2.2 几何条件和物理条件
• 2.2.3 索单元
• 2.2.4 单元等效节点荷载
• 2.3 膜结构有限元分析基本方程
• 2.3.1 膜结构有限元分析基本方程
• 2.3.2 有限元方程组解法
• 2.3.3 有限元方程组收敛准则
• 2.4 充气膜结构全过程分析
• 第3章 充气膜结构找形理论
• 3.1 膜单元基本力学模型
• 3.2 肥皂泡理论
• 3.3 膜结构找形分析主要方法
• 3.3.1 找形分析的力学原理
• 3.3.2 主要找形方法介绍
• 3.4 有限元自平衡迭代法找形
• 3.4.1 基本假定
• 3.4.2 有限元自平衡迭代过程
• 3.4.3 迭代过程中皱折单元的处理
• 3.5 充气膜结构找形分析算例
• 3.5.1 充气膜结构找形分析步骤
• 3.5.2 充气膜结构找形分析算例
• 3.6 充气膜逐步充气过程模拟
• 3.6.1 充气前膜面状态描述
• 3.6.2 充气过程膜面运动状态分析
• 3.6.3 充气过程膜面运动协调条件
• 3.6.4 薄膜结构空间分析理论
• 3.6.5 充气模拟过程算例
• 第4章 充气膜结构的荷载分析
• 4.1 充气膜结构基本荷载
• 4.1.1 内压
• 4.1.2 风荷载
• 4.1.3 雪荷载
• 4.1.4 设计荷载组合
• 4.2 充气膜结构模态分析理论
• 4.3 充气膜结构荷载分析算例
• 4.3.1 充气膜结构荷载分析步骤
• 4.3.2 充气膜结构空间性能分析算例
• 4.4 充气膜结构模态分析算例
• 4.4.1 充气膜结构自振频率分析
• 4.4.2 充气膜结构特性变化对自振频率的影响
• 第5章 充气膜结构裁剪理论
• 5.1 裁剪线的确定
• 5.1.1 测地线的确定
• 5.1.2 裁剪线的确定
• 5.2 膜面展平
• 5.2.1 空间曲面展平方法
• 5.2.2 基于最小变形能原理的展平
• 5.3 裁剪分析预应力补偿
• 5.3.1 预应力的方向
• 5.3.2 补偿值确定
• 5.3.3 预张力补偿对裁剪的影响
• 5.4 充气造型曲面拟合
• 5.5 裁剪分析工程实例
• 5.5.1 裁剪全过程算例
• 5.5.2 裁剪式样的优化比较
• 5.5.3 膜材非线性对裁剪的影响
• 5.6 裁剪检验分析
• 5.6.1 裁剪过程检验
• 5.6.2 裁剪结果检验
• 第6章 造型技术分析基本理论
• 6.1 基本理论
• 6.1.1 二次曲线的一般参数方程
• 6.1.2 自由曲线
• 6.2 造型分析相关曲面理论
• 6.2.1 曲面的定义与方程
• 6.2.2 曲面的切平面与法向量
• 6.2.3 曲面法曲率和主曲率
• 6.2.4 高斯曲率
• 6.3 充气造型曲面分析
• 6.3.1 充气膜结构造型
• 6.3.2 复杂充气造型曲面表示
• 6.3.3 充气造型空间几何变换
• 6.3.4 曲面相交基本理论
• 6.3.5 曲面裁减基本理论
• 第7章 充气造型技术分析
• 7.1 充气造型相贯线生成技术
• 7.1.1 充气造型曲面网格划分
• 7.1.2 充气造型的包围盒测试法
• 7.1.3 充气造型相贯线生成技术
• 7.1.4 充气造型相贯线程序流程图
• 7.2 充气造型消隐技术
• 7.2.1 消隐技术基本原理
• 7.2.2 消隐技术的具体步骤
• 7.3 充气造型仿真技术算例
• 7.3.1 相贯线的生成
• 7.3.2 消隐技术的实现
• 7.4 复杂充气造型结构性能分析
• 7.4.1 复杂充气造型的实现
• 7.4.2 工程算例
• 第8章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 作者在读期间发表的学术论文与研究成果