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氣枕式充氣膜結(jié)構(gòu)形態(tài)與受力分析
更新時(shí)間：2022-01-07 16:33:24
薄膜結(jié)構(gòu)可分為充氣式和張拉式兩類[1].充氣式膜結(jié)構(gòu)依靠膜內(nèi)外氣壓差成形并能夠承受外荷載,又有氣承式和氣枕式兩種形式.所謂氣承式是直...
薄膜結(jié)構(gòu)可分為充氣式和張拉式兩類[1].充氣式膜結(jié)構(gòu)依靠膜內(nèi)外氣壓差成形并能夠承受外荷載,又有氣承式和氣枕式兩種形式.所謂氣承式是直接向膜材所覆蓋的封閉使用空間內(nèi)注入一定壓力空氣使之成形;而氣枕式是向封閉氣枕內(nèi)充入一定壓力的氣體,以形成具有一定剛度和形狀的構(gòu)件,再由多個(gè)這種構(gòu)件相互連接形成使用空間[2,3,4].對(duì)于氣枕式充氣膜結(jié)構(gòu),需通過(guò)形態(tài)分析得到結(jié)構(gòu)的幾何形狀和對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布狀態(tài),再進(jìn)行荷載分析[5].本文進(jìn)行氣枕式充氣膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)分析和外荷載作用下氣枕的變形與內(nèi)壓變化情況.
1形態(tài)分析
由于充氣膜的具體空間形狀無(wú)法事先確定,只能給出平面形狀及某些控制點(diǎn)的高度;同時(shí)膜內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)不能預(yù)先確定,故氣枕工作狀態(tài)時(shí)的形與態(tài)均是未知的,且無(wú)法同時(shí)求解得到[6].本文認(rèn)為其形態(tài)分析可采用先找形后找態(tài)的分析方法,即首先對(duì)平面位置膜材的內(nèi)表面施加沿外法線方向不斷增加的氣壓力,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形,達(dá)到滿足建筑功能要求的形狀,此過(guò)程稱為找形[7].需要注意的是,在此過(guò)程中膜材一般會(huì)產(chǎn)生大變形,膜內(nèi)氣壓力和膜面應(yīng)力均處于與實(shí)際情況不符的高應(yīng)力狀態(tài),在此狀態(tài)下進(jìn)行后續(xù)的受力分析和裁剪分析將不能得到******的結(jié)果.故須在保持結(jié)構(gòu)形狀不變的前提下,確定正常工作氣壓時(shí)的膜內(nèi)應(yīng)力狀態(tài),即找態(tài).在利用有限元方法分析氣枕式充氣膜結(jié)構(gòu)時(shí),首先在平面狀態(tài)建立膜單元模型,約束其邊界,在表面上施加沿外法線方向氣壓力,直至氣枕變形后的控制點(diǎn)矢高達(dá)到規(guī)定范圍,然后將變形后的氣枕位置記錄下并清空膜內(nèi)的應(yīng)力完成找形計(jì)算.在找形的基礎(chǔ)上施加規(guī)定的工作壓力并將此時(shí)的膜單元彈性模量設(shè)置一超大的有限值,即可得到在工作壓力下膜單元的應(yīng)力分布情況并將其紀(jì)錄下來(lái).將此應(yīng)力狀態(tài)及與之對(duì)應(yīng)的工作壓力施加回找形分析得到的幾何模型上,并將膜材的材料屬性改為真實(shí)值后即可進(jìn)行后續(xù)的荷載分析.
1.1形態(tài)分析方法的有效性驗(yàn)證
本文出一半球狀氣枕的形態(tài)分析過(guò)程.球體薄壁壓力容器的應(yīng)力狀態(tài)滿足下式:
式中:σ為球面內(nèi)應(yīng)力,t為球體厚度,p為球體內(nèi)部均布?jí)毫?r為球體半徑.現(xiàn)假設(shè)半徑為4 m,厚度為0.001 m的半球內(nèi)部作用550 Pa氣壓,則球面應(yīng)力為σ=1.1×106 N/m2.
采用ANSYS軟件進(jìn)行分析,并選擇無(wú)抗彎剛度的三角形Shell181單元來(lái)模擬膜單元并約束其邊界(圖1).初應(yīng)力態(tài)下,在表面上施加沿外法方向不斷增加的均布?jí)毫?圖2),將膜面“吹起”.計(jì)算表明內(nèi)壓增至7800 Pa時(shí),得到的氣枕矢高(******點(diǎn)高度)為4000 m的半球面(圖3).
在找形過(guò)程中,由于膜材在非工作壓力作用下產(chǎn)生了較大變形,膜內(nèi)應(yīng)力很大(******主應(yīng)力達(dá)6.47 MPa),這與實(shí)際情況不符(因?yàn)檎鎸?shí)的氣枕式充氣膜結(jié)構(gòu)并不是由平面膜材直接充氣得到的),故還需確定該形狀在真實(shí)工作內(nèi)壓(取550 Pa)下膜內(nèi)應(yīng)力狀態(tài).具體步驟是,先將膜材的彈性模量增至超大(取9×1014 Pa),******模型在550 Pa的工作內(nèi)壓下的位移足夠小(******值<10-5m),即結(jié)構(gòu)的幾何形狀基本保持不變而同時(shí)得到膜面在此內(nèi)壓下的應(yīng)力分布狀態(tài).其中絕大部分單元的******主應(yīng)力分布(圖4)在1.102～1.206 MPa,其******誤差為理論值的9.6%.數(shù)值分析的球面實(shí)際上是連續(xù)折面,與理論解相比,數(shù)值分析結(jié)果存在一定誤差是必然的.通過(guò)增加單元數(shù)量可以提高計(jì)算精度,但無(wú)法******消除誤差.由此可見,采用文中提出的方法對(duì)氣枕式充氣膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行形態(tài)分析,能滿足正確性和精度要求.
