膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可分為三個(gè)步驟：
(1)找出一個(gè)初始平衡形狀；
(2)各種荷載組合下的力學(xué)分析以保證安全；
(3)裁剪制作。發(fā)達(dá)國(guó)家從六十年代起開始提出多種計(jì)算方法，到目前為止以有限元法為最先進(jìn)、最普遍被采用的方法。而單元類型皆為三角形平面常應(yīng)變單元，該方法是從剛性板殼大變形理論移植過來的。
從分析中可以看出，膜結(jié)構(gòu)作為只能抗拉的軟殼體是不適宜采用這種平面單元的，因?yàn)閷?duì)于剛性殼體來說，這種平板單元可以看成平面應(yīng)力單元和平板彎曲單元的組合，其單元?jiǎng)傟嚳梢杂蛇@兩種單元?jiǎng)傟嚭喜⒍?。而膜結(jié)構(gòu)作為軟殼體是不能抗彎的，只能靠薄膜曲面的曲率變化，從而引起膜表面中內(nèi)力重分布來抵抗垂直于曲面的外荷載。如果還是采用這種只有平面內(nèi)應(yīng)力的板單元，則應(yīng)變的線性部分將不反映平面外z方向位移的影響，這導(dǎo)致單元不包含z方向節(jié)點(diǎn)反力，就每個(gè)單元來說靜力是不平衡的。所幸的是應(yīng)變的非線性部分考慮了z向位移的影響，使得各單元合并起來的總的平衡方程通過不斷迭代能近似達(dá)到平衡，缺點(diǎn)是需要過多的平面內(nèi)位移來滿足平衡的要求，而實(shí)際情況是只需要一定的平面外和平面內(nèi)的位移及曲率變化就可以了。
考慮到這些，葉小兵博士后在國(guó)際上首次采用曲面膜單元，應(yīng)變的線性部分引入了z向位移及單元的曲率和扭率，非線性部分仍然保留z向位移的影響項(xiàng)。這樣無論是每個(gè)單元還是各單元合并后的平衡方程都能很容易滿足，迭代次數(shù)大為減少，而變形結(jié)果也更符合真實(shí)情況。而且由于單元內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力都不相同，據(jù)此判斷皺折是否出現(xiàn)會(huì)更為精確。最后求出的每個(gè)單元的曲率和扭率對(duì)于判斷初始找形的正誤和優(yōu)劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。
用曲面有限單元建立的膜結(jié)構(gòu)找形及內(nèi)力計(jì)算方法
極小曲面具有非常完美的表面形狀和應(yīng)力狀態(tài)，是膜結(jié)構(gòu)最合理的理想初始狀態(tài)。所謂極小曲面是指在給定邊界條件下面積最小的曲面。在這個(gè)曲面上任意一點(diǎn)的應(yīng)力都相等。發(fā)達(dá)國(guó)家從六十年代起開始對(duì)膜結(jié)構(gòu)找形提出多種計(jì)算方法，如物理模型法,力密度法,動(dòng)力松馳法等，到目前為止以有限元法為最先進(jìn)、最普遍采用的方法。不僅國(guó)內(nèi)，迄今國(guó)外的計(jì)算理論也都是以平面膜單元作為膜結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型。該方法是從剛性板殼大變形理論移植過來的。膜結(jié)構(gòu)作為只能抗拉的軟殼體是不適宜采用這種平面單元的，其缺點(diǎn)是需要過多的平面內(nèi)位移來滿足平衡的要求，而實(shí)際情況是只需要一定的平面外和平面內(nèi)的位移及曲率變化就可以了。其后果就是在后面要進(jìn)行的內(nèi)力計(jì)算時(shí)，代入真實(shí)材料常數(shù)后，由于前面找形得到的極小曲面與實(shí)際可能存在的膜結(jié)構(gòu)形狀的差距在視覺上可能不大，但對(duì)計(jì)算來說卻是不能忽視的，因此計(jì)算很容易發(fā)散或出現(xiàn)皺折。這也是前面其他方法的共同缺點(diǎn)，他們往往把這一連貫的過程區(qū)分成理想化的找形和實(shí)際驗(yàn)算兩個(gè)階段，也就不能保證找出的形狀都能用真實(shí)的膜材建成等應(yīng)力極小曲面。
膜結(jié)構(gòu)的裁剪制作方法
1、裁剪方法簡(jiǎn)介
膜結(jié)構(gòu)的裁剪拼接過程無論如何都是會(huì)有誤差的，這是因?yàn)槭紫扔闷矫婺て闯煽臻g曲面就一定會(huì)有誤差，其次膜布是各向異性非線性材料，在把它張拉成曲率變化多端的空間形狀時(shí)，不可避免的會(huì)與初始設(shè)計(jì)形狀有出入。迄今為止，已建立了很多種方法來處理這一問題。很難評(píng)價(jià)哪個(gè)方法的精確度一定就高，但還是有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以用來判斷這些裁剪方法是否實(shí)用。那就是可靠性、靈活性和完成時(shí)間。
2、裁剪縫的布置
布置膜結(jié)構(gòu)表面裁剪縫時(shí)要考慮以下幾個(gè)因素:
1）表面曲率
以前的裁剪方法都無法給出曲面任一點(diǎn)處的曲率。而本軟件因?yàn)椴捎玫氖乔婺卧?，所以可以得到每個(gè)單元的曲率。如果相鄰單元曲率相差很大，說明在這個(gè)位置，曲面扭曲的很嚴(yán)重，如果裁剪縫在此處不切斷重新開始，那么裁剪膜塊的邊界在此處就會(huì)有很大的弧形。從相鄰單元曲率的變化趨勢(shì)，可以判斷出測(cè)地線的大致走向。
2）膜材料的幅寬
找形分析過程中的平面網(wǎng)格劃分時(shí)，就要考慮到膜材料的幅寬。盡量使一塊膜布中包含的膜單元是完整的，否則還要通過插值計(jì)算確定膜塊邊界點(diǎn)的位置。
3）邊界的走向
如果邊界比較平直，可以考慮用一個(gè)膜塊的長(zhǎng)邊作為這條邊界。否則只能用多個(gè)膜塊的短邊拼接成這條邊界。
4）美觀
因?yàn)槟げ牧暇哂型腹庑?，?shí)際結(jié)構(gòu)中可以清楚地看見焊縫，所以裁剪縫的布置一定要規(guī)則、合理，能形成一些漂亮的圖案以增加結(jié)構(gòu)的美感。如果膜表面設(shè)置有壓索或脊索，那么使裁剪縫與壓索或脊索重合，使索不至于打亂焊縫的圖案布置。
(1)找出一個(gè)初始平衡形狀；
(2)各種荷載組合下的力學(xué)分析以保證安全；
(3)裁剪制作。發(fā)達(dá)國(guó)家從六十年代起開始提出多種計(jì)算方法，到目前為止以有限元法為最先進(jìn)、最普遍被采用的方法。而單元類型皆為三角形平面常應(yīng)變單元，該方法是從剛性板殼大變形理論移植過來的。
從分析中可以看出，膜結(jié)構(gòu)作為只能抗拉的軟殼體是不適宜采用這種平面單元的，因?yàn)閷?duì)于剛性殼體來說，這種平板單元可以看成平面應(yīng)力單元和平板彎曲單元的組合，其單元?jiǎng)傟嚳梢杂蛇@兩種單元?jiǎng)傟嚭喜⒍?。而膜結(jié)構(gòu)作為軟殼體是不能抗彎的，只能靠薄膜曲面的曲率變化，從而引起膜表面中內(nèi)力重分布來抵抗垂直于曲面的外荷載。如果還是采用這種只有平面內(nèi)應(yīng)力的板單元，則應(yīng)變的線性部分將不反映平面外z方向位移的影響，這導(dǎo)致單元不包含z方向節(jié)點(diǎn)反力，就每個(gè)單元來說靜力是不平衡的。所幸的是應(yīng)變的非線性部分考慮了z向位移的影響，使得各單元合并起來的總的平衡方程通過不斷迭代能近似達(dá)到平衡，缺點(diǎn)是需要過多的平面內(nèi)位移來滿足平衡的要求，而實(shí)際情況是只需要一定的平面外和平面內(nèi)的位移及曲率變化就可以了。
考慮到這些，葉小兵博士后在國(guó)際上首次采用曲面膜單元，應(yīng)變的線性部分引入了z向位移及單元的曲率和扭率，非線性部分仍然保留z向位移的影響項(xiàng)。這樣無論是每個(gè)單元還是各單元合并后的平衡方程都能很容易滿足，迭代次數(shù)大為減少，而變形結(jié)果也更符合真實(shí)情況。而且由于單元內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力都不相同，據(jù)此判斷皺折是否出現(xiàn)會(huì)更為精確。最后求出的每個(gè)單元的曲率和扭率對(duì)于判斷初始找形的正誤和優(yōu)劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。
用曲面有限單元建立的膜結(jié)構(gòu)找形及內(nèi)力計(jì)算方法
極小曲面具有非常完美的表面形狀和應(yīng)力狀態(tài)，是膜結(jié)構(gòu)最合理的理想初始狀態(tài)。所謂極小曲面是指在給定邊界條件下面積最小的曲面。在這個(gè)曲面上任意一點(diǎn)的應(yīng)力都相等。發(fā)達(dá)國(guó)家從六十年代起開始對(duì)膜結(jié)構(gòu)找形提出多種計(jì)算方法，如物理模型法,力密度法,動(dòng)力松馳法等，到目前為止以有限元法為最先進(jìn)、最普遍采用的方法。不僅國(guó)內(nèi)，迄今國(guó)外的計(jì)算理論也都是以平面膜單元作為膜結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型。該方法是從剛性板殼大變形理論移植過來的。膜結(jié)構(gòu)作為只能抗拉的軟殼體是不適宜采用這種平面單元的，其缺點(diǎn)是需要過多的平面內(nèi)位移來滿足平衡的要求，而實(shí)際情況是只需要一定的平面外和平面內(nèi)的位移及曲率變化就可以了。其后果就是在后面要進(jìn)行的內(nèi)力計(jì)算時(shí)，代入真實(shí)材料常數(shù)后，由于前面找形得到的極小曲面與實(shí)際可能存在的膜結(jié)構(gòu)形狀的差距在視覺上可能不大，但對(duì)計(jì)算來說卻是不能忽視的，因此計(jì)算很容易發(fā)散或出現(xiàn)皺折。這也是前面其他方法的共同缺點(diǎn)，他們往往把這一連貫的過程區(qū)分成理想化的找形和實(shí)際驗(yàn)算兩個(gè)階段，也就不能保證找出的形狀都能用真實(shí)的膜材建成等應(yīng)力極小曲面。
膜結(jié)構(gòu)的裁剪制作方法
1、裁剪方法簡(jiǎn)介
膜結(jié)構(gòu)的裁剪拼接過程無論如何都是會(huì)有誤差的，這是因?yàn)槭紫扔闷矫婺て闯煽臻g曲面就一定會(huì)有誤差，其次膜布是各向異性非線性材料，在把它張拉成曲率變化多端的空間形狀時(shí)，不可避免的會(huì)與初始設(shè)計(jì)形狀有出入。迄今為止，已建立了很多種方法來處理這一問題。很難評(píng)價(jià)哪個(gè)方法的精確度一定就高，但還是有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以用來判斷這些裁剪方法是否實(shí)用。那就是可靠性、靈活性和完成時(shí)間。
2、裁剪縫的布置
布置膜結(jié)構(gòu)表面裁剪縫時(shí)要考慮以下幾個(gè)因素:
1）表面曲率
以前的裁剪方法都無法給出曲面任一點(diǎn)處的曲率。而本軟件因?yàn)椴捎玫氖乔婺卧?，所以可以得到每個(gè)單元的曲率。如果相鄰單元曲率相差很大，說明在這個(gè)位置，曲面扭曲的很嚴(yán)重，如果裁剪縫在此處不切斷重新開始，那么裁剪膜塊的邊界在此處就會(huì)有很大的弧形。從相鄰單元曲率的變化趨勢(shì)，可以判斷出測(cè)地線的大致走向。
2）膜材料的幅寬
找形分析過程中的平面網(wǎng)格劃分時(shí)，就要考慮到膜材料的幅寬。盡量使一塊膜布中包含的膜單元是完整的，否則還要通過插值計(jì)算確定膜塊邊界點(diǎn)的位置。
3）邊界的走向
如果邊界比較平直，可以考慮用一個(gè)膜塊的長(zhǎng)邊作為這條邊界。否則只能用多個(gè)膜塊的短邊拼接成這條邊界。
4）美觀
因?yàn)槟げ牧暇哂型腹庑?，?shí)際結(jié)構(gòu)中可以清楚地看見焊縫，所以裁剪縫的布置一定要規(guī)則、合理，能形成一些漂亮的圖案以增加結(jié)構(gòu)的美感。如果膜表面設(shè)置有壓索或脊索，那么使裁剪縫與壓索或脊索重合，使索不至于打亂焊縫的圖案布置。