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气肋式膜结构充气展开及泄气倒塌分析

李庆松  
【摘要】:气肋式膜结构是一种由气密的细长薄膜构件及封闭在薄膜内的压缩气体组成的空间结构体系,具有自重轻、跨度大、造价低、可拆收并重复利用等优点。随着相关荷载试验及理论分析研究的不断丰富和发展,已广泛应用于民用、军事、航天等领域。但气肋构件细长、轻柔,在充气施工过程中常出现展开困难、甚至薄膜破损等问题,在使用阶段若遭遇突发泄气倒塌还可能引起疏散困难等,当前相关研究尚不多见。本文以气肋拱为研究对象。在总结、调研了国内外相关试验及理论发展状况的基础上,通过动态试验、数值仿真分析、及实用分析理论推导三个方面对其充气展开及泄气倒塌行为进行了研究:(1)根据动态展开及倒塌试验特点,确定了实时气压监测、全程高清摄影及摄像、及在背景墙上绘制刻度监测位移等试验数据采集方法。设计并实施了针对4组常见形态气肋单拱和1组大型气肋框架的充气展开及泄气倒塌试验研究,完成了相关膜材拉伸试验。通过试验,重点考察了气肋展开及倒塌的基本规律,以及几何参数、初始形态、外界辅助因素等对结构充气成形及泄气倒塌行为的影响等。结果表明,气肋结构的展开及倒塌行为规律性较强,其展开难度与结构几何参数及初始铺设形态密切相关,施工辅助措施可以显著降低展开难度,而泄气倒塌则受设计参数、约束条件、及设计气压影响较小,泄气后整体倒塌较快,宜采取其他措施辅助疏散。(2)分析、汇总了与数值仿真分析相关的理论基础,选用基于经典热力学理论的控制体积法对气肋充泄气行为进行了模拟分析。针对控制体积模型创建过程中存在的困难,开发了辅助应用程序。研究了有限元网格精度、控制体积划分、虚拟隔膜形态等对分析的影响。探索了通过预充气分析求解初始气胀模型、通过预泄气分析求解初始瘪气模型、通过施加外荷载和相关约束控制瘪气模型折叠形态的间接分析方法。研究了膜材参数缩放、快慢组合充气等对提高计算效率的辅助作用,探索了网格细化、减少初始褶皱等对接触分析的改善作用。模拟了气肋单拱及气肋框架的充泄气动态过程,分析了应力集中风险,总结了相关规律,并与试验结果进行了比对。结果表明,控制体积法适用于气肋充泄气行为的动态模拟和预测,虽然模拟形态和气压、体积时程曲线与试验值存在一定差异,但较好的预测了充气展开气压及泄气倒塌时效等关键参数,计算经济性较优,适用面较广。(3)根据弹性力学及热力学原理,结合气肋使用环境及变形特征,推导了弯折气肋展开气压预测公式、泄气速率计算公式、及气肋倒塌预测实用算法。通过算例分析,验证了算法的有效性及高效性,并讨论了相关局限性。拓展了倒塌算法,使其同样适用于气承式膜结构,增强了实际应用价值。本文的研究有助于了解气肋式膜结构在充泄气过程中的动态行为特征、解决其充气展开困难及相关问题、并指导疏散设计。还可为改进动态试验方法、开展更详尽的数值模拟分析、实现宏观行为快速预测等提供参考,促进气肋式膜结构的应用和发展。


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