平面張拉膜結構靜力力學性能試驗及數值分析研究

平面張拉膜結構靜力力學性能試驗及數值分析研究

張拉膜結構因其連續的結構形式和優美的外部輪廓在體育場館及會展中心

中得到廣泛的使用。也正因為其結構的復雜性,張拉膜結構的設計主要通過有限

元進行數值分析完成。

數值分析結果的精確性在很大程度上影響著其對膜結構施工建造的指導意

義。因此有必對比數值分析過程中不同因素對分析結果的影響,為后續膜結構分

析提供參考。

本文的主要研究工作和結論如下:首先,選取一種PVDF膜材為研究對象,基

于能量等效法對膜材的單向拉伸曲線進行分析獲取膜材料的彈性模量。基于非接

觸應變測量系統(DIC),通過單向拉伸試驗和相框剪切試驗來測量膜材料變化的

泊松比和剪切模量。

通過ABAQUS軟件的自定義材料程序引入到膜結構分析中,為后續的結構數

值分析提供重要的數據基礎。其次,進行平面張拉膜結構的靜力堆載試驗,主要考

慮不同堆載方式、預應力等因素,分析相應的結構靜力響應及變形規律。

試驗結果表明:平面張拉膜結構堆載試驗過程中,初始位移增量最大,隨著荷

載的增加,位移增量逐漸減小。荷載分布方式是影響膜面豎向位移的重要因素,

均布加載相對集中加載對膜面產生了更大的豎向位移。

而初始預應力的改變主要影響初始加載階段,隨著堆載荷載的增加,初始預

應力對膜面豎向對同等加載條件下膜面的豎向位移影響并不顯著,這主要因為初

始預應力值所增加的膜面面內剛度遠小于后期堆載荷載所增加的,且隨著膜面位

移的增大,幾何非線性的影響也逐漸加劇,因此進一步的削弱了初始預應力的影

響。在膜結構的分析中,必須考慮加載過程中的材料剛度改變對結構分析的影響。

最后,針對上述堆載試驗,進行系列有限元模擬,分別考慮單元類型,網絡尺

寸以及邊界形式等因素的影響。與試驗結果進行對比分析,研究計算模式的不定

性,提出適用的有限元建模分析方法。

結果表明:數值分析張拉膜結構堆載試驗過程中,改變單元類型對數值分析

有一定影響。其中,均勻加載試驗過程中采用殼單元更為精確,集中加載試驗過程

中采用實體單元更為精確。

而改變網絡尺寸和邊界形式對數值分析結果影響不大。采用實際動態模型相

比線彈性模型能更為精確的模擬平面張拉膜結構的靜力堆載試驗,最后提出來了

一個適用的數值分析方法。