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膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)分析之動力松弛法

時期:2022-06-27 15:16:00 點(diǎn)擊數(shù):147

初始形態(tài)分析

初始形態(tài)分析的目的是確定膜結(jié)構(gòu)在給定邊界和預(yù)張力條件下的初始平衡曲面,為后續(xù)的荷載效應(yīng)分析和裁剪分析提供準(zhǔn)確計算模型。初始形態(tài)分析是一般工程分析的反問題,是個由給定“態(tài)”來求對應(yīng)“形”的過程,因此也常被稱為找形(formfinding)。膜結(jié)構(gòu)的找形方法主要有物理模型法和數(shù)值分析法。

動力松弛法(DynamicRelaxationMethod)是20世紀(jì)60年代由Day[J提出的一種求解非線性問題的數(shù)值方法,此后經(jīng)過ToppinglJ、Wakefield_J、Lewis[]和Bames『14】等的研究和發(fā)展,被成功應(yīng)用于索網(wǎng)及膜結(jié)構(gòu)的找形中。動力松弛法的基本原理是,將結(jié)構(gòu)離散為單元和結(jié)點(diǎn),在假定的初始形狀下給定應(yīng)力分布,形成結(jié)構(gòu)內(nèi)不平衡力,在不平衡力的驅(qū)動下結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生運(yùn)動(假定系統(tǒng)阻尼為零);當(dāng)體系的動能達(dá)到最大值時,表明結(jié)構(gòu)接近平衡位置,此時將所有結(jié)點(diǎn)速度設(shè)為零(相當(dāng)于施加了人工阻尼1;結(jié)構(gòu)在新的位置重新開始運(yùn)動,重復(fù)上述過程,直到不平衡力極小,達(dá)到靜力平衡狀態(tài)。動力松弛法的特點(diǎn)是可以從任意假定的不平衡狀態(tài)開始迭代,不需要形成結(jié)構(gòu)總剛度矩陣,節(jié)約內(nèi)存,便于處理索單元松弛、膜單元皺褶及各種邊界約束情況。其缺點(diǎn)是計算穩(wěn)定性和收斂速度受多種因素影響,參數(shù)確定帶有較大的經(jīng)驗(yàn)性;當(dāng)初始假設(shè)曲面和最終曲面差別較大時,會導(dǎo)致收斂速度很慢,并且可能出現(xiàn)較為嚴(yán)重的網(wǎng)格畸變。針對上述問題,國內(nèi)外學(xué)者提出了多種改進(jìn)方法_J卜J。

非線性有限元法(NonlinearFiniteElementMethod)在20世紀(jì)70年代由Haug和Powell[~9]首次應(yīng)用到索膜結(jié)構(gòu)的找形分析中。之后,AigyrisL2UI提出了一種從平面狀態(tài)開始,通過逐步改變控制點(diǎn)坐標(biāo)并經(jīng)平衡迭代求得相應(yīng)形狀的找形方法;Nishimura[21]等提出了采用廣義變分原理結(jié)合有限元離散來分析膜結(jié)構(gòu)的方法。非線性有限元法是目前國內(nèi)應(yīng)用最多的一類方法,其優(yōu)點(diǎn)是計算精度高,便于通過對各種有限元軟件的二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn);但存在易出現(xiàn)網(wǎng)格畸變、收斂速度較慢等問題。


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