张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构找形分析

张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构集膜结构、飞杆与张弦立体桁架等多种受力特性于一身.给出了带飞杆的膜结构找形分析时在ANSYS上的实现过程和关键处理,并以青海省西宁市亲水中心大厅屋盖为案例进行了找形.结果表明,找形形状接近建筑初步设计造型的要求,且膜上的应力分布比较均匀.通过提升后与最终找形飞杆顶端节点的竖向坐标值对比,证实了带飞杆的膜结构找形时必须和弹性构件一起联合找形.张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构找形分析时可不考虑结构自重,但需要考虑张弦立体桁架支撑的协同作用.     

充气式索膜结构的找形分析

充气膜结构本身需要通过压差作用才能形成完整的结构,从而具备一定的刚度来支撑自重和外载荷.为加强结构的承载能力,通常会增设强度更大的索结构进行调整. 对于充气式索膜结构,找形分析在形状设计和优化中具有十分重要的作用,而压差对结构的形态分布有显著的影响,是找形分析中的重要因素. 针对充气式索膜结构受压差作用的特点,基于非线性有限元找形方法,提出压差预置法的概念,并且与节点平衡法相结合来实现优化.在此基础上,针对飞艇索膜结构的具体设计要求,提出了多目标优化的找形分析方案,先结合使用压差预置法和节点平衡法,寻找出满足索和膜结构的应力比值的几何外形;然后,通过等比例缩放的方法调整大小,最终得出满足设计体积大小的几何形状. 结果表明,采用该方法找形后的索的应力为找形前的2倍,更加充分的发挥了增强索的承载作用,同时,膜的最大应力有所降低,应力分布更加均匀,整体结构的承载能力得到了加强,对于解决实际工程问题具有重要的参考意义.     

上海世博会世博轴索膜结构屋面有限元分析与研究

作为索膜结构的一个工程实例,介绍了上海世博会世博轴索膜结构屋面有限元分析理论和分析方法。包括计算模型的确定、单元的选取、找形分析过程和初始态的评价原则、荷载效应分析过程和荷载作用下膜面应力与变形的控制。分析结果表明,索膜结构找形分析的关键问题是如何确定索和膜的预应力大小,荷载效应分析的关键是如何控制膜面应力及位移。采用有限元法有效解决了本工程索膜结构找形和荷载效应分析问题。分析方法和过程可为类似结构分析设计提供参考。     

索和膜结构的力密度法找形分析

阐述了力密度法的基本原理，利用自编程序，对一双曲抛物面索网和一帐篷形膜结构进行了找形分析，重点讨论了索单元的力密度和膜单元的应力密度的取值对找形分析结果的影响。     

索膜结构平衡法找形分析

目前,索膜结构的找形分析以非线性有限元法等数值分析法为主.这些方法依据本构关系建立节点位移与节点不平衡力间的刚度方程,进而迭代求解.计算时若初始形状与找形形状差异较大,则会使迭代计算发散.笔者从平衡条件出发,将索膜结构的找形过程视为大位移小应变的形状几何问题,从而引入平衡方法进行了找形分析.通过算例计算分析,得出该方法在初步找形方面具有简单、快捷、不依赖经验等优点,但尚需与荷载分析、裁剪分析结合来进一步探讨该方法的优势和不足.     

敞篷式体育场膜结构找形分析

采用基于非线性有限元理论的形态结合法对敞篷式膜结构进行了找形分析。首先介绍了相关理论和相应有限元计算公式,通过提升支座,得到膜面的初始曲面,即“形”;然后在此形状基础上,通过温度作用对膜施加真实的预应力,迭代计算得到了真实的膜面预应力分布,即“态”,实现了“形”与“态”的结合,得到了最终膜结构的形状;最后对郑州大学新校区综合体育场膜结构工程进行了找形分析。结果表明,该方法能够快捷、精确地得到敞篷式膜结构的曲面形状,对更加合理地设计膜结构具有重要意义。     

基于Burgers四元件模型的索膜结构蠕变性能分析

索膜结构在一定的温度和恒定外力作用下会产生变形随时间增长而逐渐增大的现象,即蠕变现象,影响结构的使用价值,因而对索膜结构的蠕变性能的研究是至关重要的.文章利用描述粘弹性蠕变行为的Burgers四元件模型来模拟索膜结构的蠕变性能,推导出蠕变影响的有限元方程.同时,还利用ANSYS软件对索膜结构进行蠕变分析,得出了蠕变第一阶段曲线,为研究蠕变影响的应力应变分析提供了科学依据.     

索膜结构的动力松弛找形法参数简化

针对膜结构找形中最小曲面的确定问题,采用动力松弛法,对迭代参数进行分析和简化,使迭代参数的简化只跟时间步长有关.通过算例分析表明,参数简化正确实用,精度较高,适用于大跨度张拉索网、索膜结构的几何非线性分析.     

劲性支撑穹顶结构找形分析

针对索垂度在施工成形过程中不可忽略的问题,采用悬链线单元模拟索,依据胡克定律、小应变假设和变形协调方程等条件,推导了索原长的计算公式,给出了一种已知任意一个正值求解索原长度的二分法。在正交索网结构中,采用该二分法求得的索原长与已知条件给出的索原长进行对比,其误差均不超过0.16%,且不同初始值计算得到的索原长差别不大。针对劲性支撑穹顶结构的找形分析问题,给出了一种FEDR法,即有限元动力松弛法,以期提高动力松弛法的计算精度和可靠性。给出了找形分析的求解策略,并通过FORTRAN语言和ANSYS的APDL语言编制找形分析程序。对正交索网和跨度为71.2m设两道环杆的肋环型劲性支撑穹顶结构进行找形分析,ANSYS有限元分析与FORTRAN语言找形程序求得的杆件内力进行对比,其误差均不超过0.42%。     

充气膜结构有限元找形的体积微分法

为确定充气膜结构找形分析时,在内压已知情况下膜面张力的大小,根据多元函数泰勒展开公式推导了该类结构充气膨胀的体积微分方程,并由基于U.L.格式的非线性有限单元法,建立了以节点位移和膜面初始张力为未知量的平衡方程,编制了在给定内部气压及膨胀体积情况下的找形分析程序。对球面及圆柱面充气膜结构进行了找形计算,得到的数值结果与由球面及圆柱面的矢高、内压、初始张力相互关系得到的理论解进行比较并得到了验证。计算结果表明,提出的基于有限元的体积微分法可有效的用于充气膜结构的找形分析。     

半刚性结构找形分析的实用方法

在讨论拉索预应力模拟方法的基础上,利用刚度法理论来确定半刚性结构零状态的几何尺寸。在初始态几何给定时,初始态的预应力分布决定了零状态的放样几何。首先给出了用于求解拉索初始缺陷长度的影响矩阵法;但该方法初始缺陷长度对控制点位移的影响因子是线性叠加的,即结构反应呈线性,这与半刚性结构的几何非线性相悖。为了减小结构非线性反应带来的误差,对影响矩阵法的影响因子进行了修正,提出了影响矩阵修正法。最后利用ANSYS参数化设计语言APDL编制程序对一个半刚性结构实例进行了找形分析,数值算例表明了影响矩阵修正法减少了影响矩阵法中结构线性反应假定带来的误差,能够应用于刚度较小的半刚性结构的找形分析。     

非线性有限元法分析张拉整体结构初始形态

目的确定自应力平衡的张拉整体结构的初始形态,明确几何和预应力态的选取原则.方法利用力法和位移法原理,针对张拉整体结构的初始平衡形态建立非线性有限元基本方程,并编写其初始形态分析程序.结果结合张拉整体结构的刚度特点,解决了程序迭代计算的收敛性问题.并应用初始形态分析程序计算确定了张拉整体三棱柱的初始形态.结论基于虚功原理迭代方程编写的初始形态分析程序可以有效确定张拉整体结构的初始形态.通过算例分析提出了张拉整体单体给定预应力态及初始几何选取的合理建议.     

零弯矩型自由曲面结构找形方法

为获得受力合理且形式丰富的自由曲面结构,借鉴传统模型试验找形法的原理,提出基于动力松弛法和局部线性化法的零弯矩型自由曲面结构数值找形方法.该方法利用了零弯矩型薄壳结构与相同荷载与边界条件下的柔性膜结构具有相同形状的性质,通过膜结构来实现自由曲面结构的找形.首先采用动力松弛法确定柔性结构在不同驱动力作用下的平衡构形;然后利用局部线性化方法调整结构初始参数,实现对结构形状的精确调控,以满足建筑设计对控制点坐标的要求.利用所提方法分别对逆吊型、充气型和张拉型自由曲面进行了数值模拟分析.通过对Isler逆吊试验模型的模拟,并与实际模型的3D扫描结果进行比较,验证了方法的精确性;通过对一充气型自由曲面的模拟,证明通过多区域分步控制可实现复杂造型结构的多点精确控制;通过对一找形后的张拉型自由曲面结构进行受力分析,证明采用本文方法可获得受力合理的纯压结构.研究表明,本文方法的计算效率更高,适用范围更广,有助于实现建筑与结构设计的协调统一.     

控制网格变形的动力松弛法膜结构找形分析

采用动力松弛法对膜结构找形分析时,为了防止节点的聚集以获得更精确的膜曲面,提出了一种新的控制网格变形的找形技术.膜单元采用平面三角形单元描述,在单元每两节点间引入了与单元边长变化速率成正比的阻尼项,通过阻尼项产生的节点力来控制网格在找形过程中的变形.对悬链面找形时发现,当黏性系数不大于0.7时,动力松弛法收敛,网格节点分布较无阻尼时均匀.对Scherk-1ike曲面找形时发现,能够控制网格变形且满足收敛性的黏性系数的上限为1.5.此方法能够有效地解决膜结构找形分析中网格的大变形问题,保证了单元密度,特别是克服了曲率较小处网格过于稀疏的缺陷.     

车辐式结构找形分析的逐点去约束法

车辐式结构是一种双层索系的柔性结构,需要通过找形分析确定结构的初始预应力态.与索膜、索网结构等柔性结构不同,车辐式结构的找形分析不是用给定的预应力值寻找结构位形,而是从给定的位形出发求解可能存在的预应力分布情况.目前已有的找形方法有平衡矩阵理论、力密度法、动力松弛法、非线性有限元法等.除了非线性有限元法外,其他方法都难以直接通过通用有限元软件进行找形分析.本文在平衡矩阵理论的基础上,将车辐式结构整体找形问题转化为针对每个节点处3个索杆单元的计算.通过使每个节点在预应力作用下达到设计位形,求出结构初始应力态的预应力分布.这种方法不但能够直接用于有限元软件的计算,还能够判定结构的初始应力态是否存在.     

采用改进鱼群算法的张拉整体结构找形方法

针对传统力密度法求解大规模、不规则张拉整体结构找形效率不高的问题,提出了一种力密度法与改进鱼群算法相结合的找形方法．先基于力密度法建立结构的平衡方程组, 然后采用改进的鱼群算法在力密度空间内进行全局搜索, 找出一组合适的力密度值使得平衡矩阵的秩满足求解条件, 从而找到结构的平衡构形．该算法加入了全局最优人工鱼信息, 引入了吞食行为和跳跃行为, 并采用了自适应步长, 比传统鱼群算法搜索效率更高, 不容易陷入局部极值．以扩展八面体张拉整体结构为例, 用该方法进行了找形, 并和传统鱼群算法的找形结果进行了对比分析．仿真结果表明,该找形方法的找形结果可靠, 并且收敛精度和平均最优值较传统鱼群算法均有所提高．     

直杆叠积螺旋空间结构的找形分析方法

为了提高原竹结构承载力与安装便利性,提出仅需通过绑扎连接且空间形态丰富的直杆叠积螺旋空间结构.新型结构的杆件数量和每根杆件叠积点的竖向坐标取决于各杆件的几何尺寸与下部杆件的空间位置,据此提出几何建模编程方法：用空间解析几何方法建立方程组,用迭代法求解超越方程,用多项式回归法拟合各杆件坐标;并提出简捷有效的逆向安装方法,以避免竹子直径和安装误差对结构形状的不利影响.工程实践证明了新型结构的找形分析方法的正确性和逆向安装方法的可行性.受力分析算例结果表明,开口形新型结构斜向杆的最大应力受弯矩控制,环向杆上的轴力显著大于斜向杆.     

基于ANSYS参数化语言的机械结构优化设计

介绍了ANSYS优化设计模块，并针对机械结构优化设计给出了具体设计步骤，利用实例分析介绍ANSYS在机械结构优化设计中的应用．证明了ANSYS优化设计模块在机械结构优化设计上的方便性和可行性，为从事机械优化设计人员提供了新的方法和思路．