边界元法在膜结构与风耦合研究中的应用

膜结构是一种风敏感性结构,结构与风的耦合作用不容忽视。本文将膜结构所处的风场简化为不可压缩势流,运用边界元法求解绕流后作用在膜结构上的风压,然后计算在风压作用下膜结构产生的变形,修正膜结构形状,再次求解变形后膜结构周围流场及作用在其上的风压,这样依次迭代,直至得到收敛的解。这种方法的有效性通过典型算例和其他方法计算结果的对比得到验证。变换膜结构的矢跨比、初始预张力及风场平均风速,研究参数变化对流固耦合的影响,为膜结构抗风研究与工程实践提供参考。     

物质点法在风与膜结构耦合作用中的应用研究

为克服常用数值方法在风与膜结构的耦合计算中网格易畸变、耗费机时大的缺点,提出采用物质点法计算风与膜结构的耦合作用。结构域采用物质点法描述,流体域采用浸入边界法描述。结构对流体的作用通过对结构最边缘的网格节点施加边界条件来实现,流体对结构的作用通过在结构表面施加压力和剪力实现。分别给出了结构域、流体域和流固耦合计算的求解步骤。将该算法应用于二维膜结构的耦合计算,得到了结构响应和流体压力场等结果,与采用有限元法计算结果进行了对比,结果符合良好;同时与有限元法对比了计算效率,结果表明物质点法计算效率要高于有限元法。结果表明物质点法计算风与膜结构的流固耦合作用中可以得到准确的结果,且计算效率得到较大提升。     

索膜结构的抖振动力特性研究

研究了索膜结构在脉动风作用下的动力特性。采用Wilson-q逐步积分法和Newton-Raphson迭代法推导了索膜结构在抖振力作用下的非线性动力增量平衡方程,求得结构的时程响应曲线。通过实例分析,探讨了结构参数变化对自振频率的影响;研究抖振力作用下索膜结构响应的频谱特性,从而得出索膜结构的抖振响应特性。     

强耦合法在膜结构风振流固耦合分析中的程序实现与应用

研究强耦合整体方法在膜结构风振流固耦合效应分析中的程序实现与应用。基于强耦合整体式方程,介绍了采用Fortran语言编写膜结构流固耦合效应计算程序的实现过程,以及程序实现中需要的数值计算方法。对计算程序中的重要求解步骤进行了分析,介绍了相应程序的实现过程。最后将强耦合整体方法计算程序应用于典型膜结构的风振流固耦合计算中,得到了结构在不同风向角下考虑和不考虑耦合效应时的风压系数,其结果与已有风洞试验结果基本一致。同时计算了膜结构的风振响应和周围流场的分布。结果证明提出的强耦合整体方法程序适用于计算膜结构风振中的流固耦合效应,结果正确可靠     

膜结构的附加空气质量

膜结构的非线性风振响应是流固耦合的共同作用问题,其中包括膜的附加空气质量的计算。首先采用格林函数法推导了封闭式膜结构的附加空气质量acm的表达式,得到了lmacr/关于膜尺度k的变化曲线,并讨论了各种影响lmacr/取值的因素;其次,利用薄型机翼理论推导了敞开式膜结构在非定常流中的附加空气质量0am的表达式,得到了lmar/0关于膜尺度H/l的变化曲线,并讨论了各种影响lmar/0取值的因素。研究结果为膜结构非线性耦合风振响应分析奠定了基础。     

膜结构风荷载和风致响应研究进展

膜结构是近年来在大跨度空间结构中广泛采用的结构形式。由于膜材料柔软、质轻的特点，膜结构对风的作用却十分敏感，风荷载是该类结构设计中的主要控制荷载，在响应分析中必须考虑气动弹性效应，但至今仍没有行之有效的分析方法。从风洞试验研究、响应分析方法和数值模拟等方面详细评述了膜结构风致振动的研究进展，并给出了今后研究的建议。     

张拉式膜结构抗风设计

抗风设计一直是膜结构设计中的核心问题和难点问题。以Davenport提出的阵风荷载因子法为基础,结合张拉式膜结构的风振响应特点,提出一系列改进措施,初步建立了一种适用于张拉式膜结构抗风设计的实用化方法。采用随机模拟时程分析方法对几种典型形状的张拉式膜结构进行了较为系统的风致动力响应参数分析,总结了结构风振响应的规律。并在此基础上,依据提出的抗风设计方法给出了可供设计人员参考的风振系数取值。     

倒伞式可展索膜结构静力特性分析

倒伞式可展索膜结构是一种新型的张拉式索膜结构,它不同于现有的固定式索膜结构,具有样式新颖,结构灵活,使用方便,用途十分广阔等特点。对倒伞式可展索膜结构的静力分析原理进行了理论推导。结合算例,对该结构的静力性能做了详细的分析。对结构在恒载、预张力、风荷载和雪荷载作用下的反应进行了数值模拟,研究了倒伞式可展索膜结构在荷载作用下应力及位移的变化规律,并找出了它与现有的固定式索膜结构相比所独有的特点和优势,得出了一些适用于倒伞式可展索膜结构的主要结论。     

弹簧支撑ETFE枕式膜结构分析

张拉式膜结构和充气式膜结构是ETFE薄膜结构的主要形式,该文分析了弹簧支撑ETFE枕式膜结构与传统充气式膜结构的优势,在已有的ETFE弹簧支撑枕式膜结构的基础上,通过增加拉杆和进行单个单元的拼接,对原有结构体系进行拓展。利用ANSYS对新结构体系进行了找形分析、雪荷载和风荷载下的应力分析,计算膜面应力和膜面位移,并与已有结构进行对比。     

充气膜结构

本文简要介绍了膜结构的发展历史,论述了充气膜结构的工作机理、结构特性及发展过程。在给出充气膜结构定义的基础上,从概念上区分出气承式和气工和气胀式两种不同性质的充气膜结构。对比非充气膜结构,分析了充气膜结构的优缺点,指出了充气膜结构在我国的应用前景。     

大跨度索膜屋盖结构的风振系数研究

索膜屋盖结构重量轻、柔度大、阻尼小,风荷载成为外力作用的主要因素。在索膜结构设计中,风振系数成为确定结构风荷载的主要参数。本文首先讨论了风振响应统计量与风振系数的概念,然后提出采用非线性有限元分析与人工神经网络相结合的新方法,寻找风振系数与平均风速以及与索膜预张力之间的关系。以一个大型索膜屋盖结构为例进行了分析,验证了本文方法的有效性。获得了风振系数随平均风速和索膜张力变化的规律,为索膜结构抗风设计提供了科学依据。     

大跨柔性空间结构风压和耦合风效应分析

研究大跨柔性空间结构的表面风压和流固耦合风效应.引入流体运动控制方程和大涡模拟湍流模式,提出风与结构的流固耦合方程的迭代求解过程.提出张拉索膜结构的加载预应力态、稳定态和耦合态等三个受载状态概念和统一形式的动力方程表达.以某典型索穹顶结构为例,采用以风时程为荷载的动力响应时程方法、单向耦合算法和双向耦合算法,开展结构风效应的数值计算和比较.研究发现,动力响应时域方法和单向耦合算法的结构平均位移计算结果基本相同,但前者的结构风振系数较大.双向耦合算法的结构平均位移计算结果小于前两种方法,但风振系数在三种方法中最大.     

伞形张拉膜结构在冰雹冲击作用下的动力响应研究

以工程中常用的伞形张拉膜结构为研究对象,研究其在冰雹冲击作用下的动力响应问题。设计制作各种试验装置,通过对伞形膜结构的冰雹冲击试验,得到了冰雹冲击伞形膜结构不同测点的位移、速度以及边索的张拉松弛率。通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟冰雹对伞形膜结构的冲击,并与试验数据对比分析,验证试验的可靠性与准确性。结果表明,冰雹冲击会造成伞形膜结构产生大变形,并加速应力松弛,甚至导致膜面撕裂破坏。该结果为研究群冰雹冲击动力响应打下基础,也为张拉膜结构的设计、施工和维护提出工程参考依据。     

平流层飞艇充气柔性膜结构的区间不确定优化

根据随体坐标描述法,以变形后的构型作为参考基准,研究构建准确的充气膜结构应变/位移几何关系。利用虚功原理建立平衡方程,同时使用更新的拉格朗日格式(UL格式)保证膜结构分析求解的精度和稳定性。在充气柔性膜结构的分析和优化中引入不确定性参数,通过区间数学理论对其进行刻画。基于区间不确定性优化的模型和算法,对充气膜结构进行区间可靠性优化,为提高膜结构在复杂工况下的可靠性,降低失效概率提供借鉴和参考。     

风驱雨荷载作用下鞍形膜结构动力响应及可靠度研究

通过有限元数值模拟和风洞试验对鞍形膜结构在风驱雨荷载作用下的动力响应及其结构可靠度进行研究。采用Workbench软件中的Mechanical APDL模块与Fluent模块建立鞍形膜结构在风驱雨荷载作用下的模型,将该模型导入ANSYS AUTODYN软件中求解得到动力响应曲线。基于气弹相似理论制作了试验模型,并对试验模型进行风驱雨动力加载试验,从而得到其膜面不同特征点在不同工况下的动力响应数据。通过蒙特卡洛法对数值模拟和试验的动力响应数据进行求解,得到鞍形膜结构的可靠指标。此外,讨论了风雨荷载组合、预张力和矢跨比对鞍形膜结构动力响应与可靠度的影响。将试验与数值模拟进行对比分析,数值模拟结果与试验结果较为吻合。研究发现：风驱雨荷载会使膜结构产生显著的非线性振动,通过增大鞍形膜结构的预张力和矢跨比可有效减小振动响应;在不同参数之间,矢跨比对膜结构可靠度的影响更为显著。论文的研究方法和结果可以为膜结构非线性动力响应研究和基于可靠度理论的膜结构设计提供参考。     

膜结构分析理论研究现状与展望

作为一种典型的柔性张力体系, 膜结构的分析方法与刚性结构相比有许多不同之处, 形成一套独特的理论体系。首先阐述了膜结构分析理论的特点和一些需要特殊考虑的问题, 然后从初始形态分析、荷载效应分析和裁剪分析三个方面概要介绍了膜结构分析理论的发展过程, 以及一些具有代表性的方法;继而针对膜结构分析中的若干热点问题, 包括褶皱的数值模拟、考虑多目标的形态优化、基于裁剪-找形一体化思想的精确成形技术和考虑流固耦合的风振分析方法等的研究现状进行了评述, 最后对膜结构分析理论的进一步发展提出展望。     

聚氯乙烯合金分离膜研究进展

本文介绍了ＰＶＣ分离膜材料合金化对膜的亲水性、成膜性、膜结构、膜的渗透和分离性能的影响,以及ＰＶＣ／Ｐ２合金体系的相容性对膜结构和性能的调控作用     

聚氨酯/无机粒子共混平板膜的结构和性能

通过在聚氨酯膜中引入无机粒子,利用相转化湿法成膜机理,制得了一系列不同粒子含量的聚氨酯共混平板膜。通过对膜结构的对比观察和对膜纯水通量及截留性能测试,研究了无机粒子对膜结构和性能的影响。结果发现:二氧化硅的含量,不仅显著影响膜结构和性能;而且通过拉伸处理,可以获得一种新型微孔结构——相界面分离微孔。研究显示活性炭粉对聚氨酯膜结构和性能的影响明显不同于二氧化硅。     

张拉膜结构的有限元基础

本文简要介绍了膜结构的发展状况，并对适用范围广、发展潜力大的张拉膜结构推导出了进行找形分析和荷载分析的有限元列式。     

膜结构自振特性研究

膜结构体型复杂,对风振作用敏感,而结构的风振性能又与结构的自振特性紧密相关。对不同结构参数时鞍形膜结构的自振特性进行了分析,随着结构跨度的增大,却会降低结构的自振频率,且降低幅度较大;膜预张力的增大,会增大结构的自振频率,且增大幅度较大;索和膜的张拉刚度的对结构的自振频率影响很小,自振频率随着张拉刚度的增大而增大。