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充氣膜設計中模型建立與接觸定義的分述
- 2020-12-11-

  一、模型建立:

  充氣膜常規的建模思路是:先建設結構外形投影平面的模型,擬定好初始的預應力分布狀況,而后求解達到該預應力與邊界條件的構造形狀,即為經過結構預應力的狀態找到其結構的形狀。有氣膜建筑采用的建模思路是預先假定結構的形狀,給定半橢球膜面形狀并將拉索附著在膜面的相應位置上,膜面和拉索之間采用接觸單元定義,將內壓作為外荷載施加到膜面上,使結構獲得預應力,即通過結構的形狀尋找其預應力狀態,終端使膜面和拉索獲得的應力整體大于零,這樣保持了膜和拉索都處于正常工作狀態,這種建模方法利于建立拉索與膜面之間的接觸關系。

  二、接觸定義:

  充氣膜結構中的拉索與膜材之間的相互作用按接觸問題處理,將拉索離散成空間鉸接具有兩個節點且僅受拉的Link10單元,膜面離散成三節點Shell41三角形平面應力膜單元。有限元軟件ANSYS已具備完整的接觸分析功能,利用其Contact175點-面接觸單元建立拉索和膜面之間的接觸關系, 對拉索和膜面之間的摩擦接觸滑移進行模擬, 接觸分析中摩擦模型采用典型庫侖摩擦, 需要引入摩擦系數, 由文獻中實驗結果可得, 拉索與膜材之間的摩擦系數建議取值為0.2-0.6, 接觸計算采用擴展拉格朗日算法, 即把純拉格朗日乘子法和罰函數法結合起來, 并滿足接觸協調, 計算分析應滿足以下假定∶

  1)拉索及膜面張拉屬于小應變, 滿足Hooke定律; 2)充氣膜的膜材是正交異性彈性材料, 即變形前后材料主軸一直保持垂直; 3)考慮摩擦作用, 拉索與膜面之間有相對滑動; 4)忽略膜材的抗彎剛度, 膜材主軸與單元邊之間的夾角一直不變。

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