膜结构找力分析的无矩理论和优化的复位平衡法

膜结构工程的实践和形状确定理论要求对膜结构进行找力分析。本文结合无矩理论推导了膜结构自平衡预应力确定的解析方程,研究表明膜结构自平衡预应力由膜曲面的特性和边界条件决定。根据相似原理提出了索膜结构找力分析的数值方法——复位平衡法,并且依据曲面上单元之间的关联对这种方法进行了优化。与无矩理论的计算结果比较显示优化的复位平衡法有很高的计算精度,能够应用到实际工程的精确分析中。     

膜结构找形方法——改进力密度法

在膜结构找形中,力密度法引入了"力密度"的概念,使问题简化.但力密度法需要多次试算后才能确定合适的力密度取值,很大程度上依赖个人经验,给找形过程带来一定困难.本文针对力密度法的找形过程进行改进,避开其中"力密度"的概念,直接引入膜面应力和索拉力作为初始条件,以节点不平衡力作为控制误差,避免了传统力密度法需要反复试算力密度取值的弊端,使找形计算过程简洁高效.据此编制找形程序,通过复杂算例验证了该算法的正确性和普适性.     

力密度找形分析方法及计算机实现

本文通过对力密度法的分析研究，概括了力密度法的基本原理和找形分析的过程，用矩阵形式给出了力密度的基本列式。通过对各个矩阵基本元素分析，找到了力密度矩阵的组装规律和一维变带宽存储的规则及实现算法和过程，并给出了详细的力密度矩阵的装配过程。通过基于C 语言的系统框架的程序，实现了该基于一维变带宽存储的力密度找形分析方法。最后，通过几个数值算例表明了，力密度法找形理论的先进性，及本文提出的算法过程实现的可行性和正确性。由于本文的算法是基于效率比较高的一维变带宽压缩存储格式，因此，可以实现大型索膜结构的找形分析。     

张拉膜结构力密度法混合找形分析

论述了张拉膜结构力密度法混合找形的基本理论;所谓力密度法混合找形,即部分单元力密度控制,部分单元弹性控制;力密度控制采用线性求解,弹性控制采用非线性求解,通过迭代计算混合找形求出各结点的坐标值。据此编制了相应的计算软件;对工程实例进行了验算,结果表明,本文给出的计算结果与德国著名软件easy的计算结果相吻合。     

张拉整体三棱柱几何作图法找形与找力

力学和几何学是密不可分的,本文给出了一种几何作图法进行端面平行时张拉整体三棱柱的找形方法和作图确定自平衡内力大小的找力方法,并推导出找形后张拉整体三棱柱自平衡内力的力密度计算公式,通过算例验证了几何作图法找形与找力的正确性。几何作图法找形和找力方法操作简单,直观可控,可以在CAD软件中实现,甚至可以纸上手绘实现;自平衡力密度公式简单,表达直观,是力密度法的一种几何实现。     

张拉膜结构的有限元分析

应用有限元程序ANSYS进行了薄膜结构的找形分析和荷载分析．张拉结构受力后将产生较大的位移,因此需要采用非线性理论．通过一系列计算,可以发现影响找形结果的因素有：单元的划分,初始弹性模量的选取,膜的预张力,边索和脊索的预张拉力值及其比值．在实际工程中,由于膜结构建筑要求和边界条件的限制,找到具有极小曲面性质的初始平衡形状较难,因此,一般把应力的差值控制在一定的范围内．工程实例计算结果表明：在风荷载作用下膜结构的竖向位移反应比较大,风吸力通常是索膜结构设计的控制因素．     

泊松方程与双向张弦梁找形

根据双向张弦梁上、下弦的平衡荷载与索曲面及索拉力之间的关系,给出了上、下弦所在曲面的泊松方程;给出了矩形边界和椭圆边界泊松方程的求解方法;通过算例验证了泊松方程找形方法的正确性. 给出的泊松方程求解方法可以非常准确计算出双向张弦梁的形状,便于在工程中应用.     

索穹顶结构的找力分析方法--不平衡力迭代法

索穹顶的刚度和承载能力都是通过施加预应力来获取的,预应力设计是对索穹顶进行任何其它分析的基础,所以它的找力分析(Force finding)是一项很重要的工作。本文提出一种找力分析方法———不平衡力迭代法,它可以克服整体可行预应力法的一些不足:即使在索穹顶构件分组发生错误时仍可找到满足已知形状的预应力分布,并且该方法具有良好的稳定性和运算效率,算例表明不平衡力迭代法非常适合大型复杂索穹顶结构的找力分析。     

基于双层平面索变形的车辐式张拉结构找形方法

建立了由上层索、下层索、飞柱组成的双层平面索结构,根据节点平衡推导了各索段拉力的计算公式;基于索拉力产生的平衡荷载与索拉力水平分量及索竖向变形之间的关系,推导了平面索在竖向荷载作用下变形计算的有限元列式;通过对平面索结构边界节点施加竖向位移,将上下索边节点移动到建筑要求的位置;当飞柱高度不同时,可通过飞柱的伸长或缩短达到设计要求的飞柱高度,最终实现车辐式张拉结构找形。本文还给出了找形后结构分析和索张拉控制所需的初应变计算公式以及考虑边界梁和柱子在索力下产生弹性变形的处理方法。通过对车辐式张拉结构工程实例进行找形计算,介绍了有限元法的计算过程;对找形后车辐式张拉结构进行了受力分析,将找形时结构荷载施加在找形后的结构上,结构最大竖向位移仅为0.72mm,验证了该找形方法的正确性。     

索网天线找形分析的参变量变分有限元法

针对柔性空间索网天线的非线性特点,建立了基于参变量变分描述索网拉压非线性和共旋列式描述几何非线性的有限元控制方程,应用Lernke与改进牛顿法进行求解.通过对索网预张力平衡计算,证明改进牛顿法比Newton-Raphson法具有更强的收敛能力.进一步将力密度法迭代原理与有限元法结合应用于索网天线的非线性找形分析中,获得了理想的索网构型.本文的索网找形方法可广泛应用于空间索网天线结构的设计.     

桁架结构几何非线性问题的力密度法

桁架结构大都具有较强的几何非线;浊,受荷载后易出现较大的脯变形。提出一种基于力密度的针对桁架结构几何大变形问题的解法;引入杆件单元的力密度矩阵,推导出相应非线性方程的Jacobi矩阵;与有限单元法集成求解的思想相同,采用力密度矩阵建立结构变形后整体的精确非线性平衡方程。研究结果表明：应用Newton-Raphson迭代法求解,采用适当的迭代收敛精度可得到较精确的桁架结构位移解。     

力法在索-桁结构静力分析中的应用

索-梁(桁)结构是一种新型的空间杂交结构体系，它首先在中国获得工程应用和发展。通过下压平行布置在单层悬索上的实腹梁或桁架等横向加劲构件，强迫其产生向下位移后并固定其位置，以便在整个索与横向构件组成的体系之间建立起预应力，就形成具有足够刚度和形状稳定性的横向加劲单层索屋盖结构。本文根据力法原理，提出了一种新型迭代计算方法，采用Newtpm Raphson Method(N-R)方法计算索-桁结构体系的静力响应。算例计算结果表明：本文方法是可行的，计算精度满足工程需求。     

Design Optimization of Connection Section for Concentrated Force Diffusion

In many load carrying thin shell structures, a connection section is arranged to transfer concentrated external forces to its main section. It is very important for the concentrated external forces to diffuse as uniformly as possible. Nevertheless the traditional design of uniform radial rib is not optimized. The present paper studies an integrated optimization procedure for design optimization of connection section. Variance constraint of node forces at the interface between the main section and connection section is firstly proposed as the evaluation criterion of concentrated force diffusion efficiency and introduced into the topology optimization formulation. Afterwards, for improving the manufacturability of the final design the topology optimization results are interpreted and further optimized by size or shape optimization. Two strategies of interpretation are examined. The first strategy is called strategy of making holes, which inserts a number of internal holes of regular geometric features and smooth boundary with B-spline curves in the continuum based on the topology optimization result. In the second strategy, an initial truss-like design is extracted from the characteristic of topology optimization result. Then a further shape and sizing optimization is followed to obtain the final optimal design. An example of design optimization of plane connection section is presented. The effectiveness of the present approach is demonstrated. The respective advantages and disadvantages of the two strategies are discussed.     

GEOMETRIC DRAWING METHOD FOR FORM-FINDING AND FORCE-FINDING FOR TRIANGULAR PRISM OF TENSEGRITY

力学和几何学是密不可分的,本文给出了一种几何作图法进行端面平行时张拉整体三棱柱的找形方法和作图确定自平衡内力大小的找力方法,并推导出找形后张拉整体三棱柱自平衡内力的力密度计算公式,通过算例验证了几何作图法找形与找力的正确性。几何作图法找形和找力方法操作简单,直观可控,可以在CAD软件中实现,甚至可以纸上手绘实现;自平衡力密度公式简单,表达直观,是力密度法的一种几何实现。     

基于数字散斑相关实验测量的材料构型力的计算方法

材料构型力学主要研究材料中的缺陷(夹杂、空穴、位错、裂纹、塑性区等)的构型(形状、尺寸和位置)改变时,所引起的系统自由能的变化。本研究将基于数字散斑相关技术,实验测量材料试件的位移场分布,随后通过材料构型力的定义式,计算求得弹塑性材料中缺陷构型力的分布。其方法概括如下:位移场通过数字图像相关技术测得;应变及位移梯度场利用三次样条拟合获得;线弹性材料应力通过简单线弹性本构方程获取,而塑性材料的表面应力场通过Ramberg-Osgood本构方程计算求得;弹塑性应变能密度分布则由应力-应变曲线数值积分获得。该方法对普通弹性材料或者弹塑性材料均适用,可以用于各种不同的缺陷及缺陷群的材料构型力测量。     

空间刚架结构的广义逆力法

在结构计算中，根据算法中所采用的基本未知量的不同．结构分析方法可以分为力法、位移法和混合法。其中位移法由于适宜计算机处理而在结构计算领域得到了广泛的应用．经典力法相比之下应用就远不如位移法普遍，虽然力法本身在力学上有其独特的优势。广义逆矩阵做为一种较新的数学工具，自二十世纪五十年代诞生以来正日益表现出越来越旺盛的生命力。广义逆力法就是一种基于力法和广义逆矩阵理论的新的迭代算法。这种算法是一种完全适合计算机处理的力法方法。该算法的思路以及对于求解线弹性空间刚架结构问题的具体公式均在文中给出并给出了算例。从算例计算结果可以看到广义逆力法有着较好的计算效率和计算精度。该算法的提出为力法在计算机计算领域的应用开拓了新的发展空间。该算法在材料非线性问题和结构并行计算方面也有着较好的应用前景。