建筑膜结构非线性振动及其预张力测量理论和试验研究

发布时间：2017-05-07 20:15

  本文关键词：建筑膜结构非线性振动及其预张力测量理论和试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着科技的进步和社会的发展，薄膜结构在许多领域，尤其是在建筑工程领域，，得到了广泛的应用与发展。建筑膜结构是最近几十年才兴起的一种建筑结构体系，它被广泛应用于大型体育场馆、展览会场、娱乐场等建筑中。建筑膜结构自重轻、刚度较小，因而对外荷载的作用非常敏感，容易发生振动，甚至导致工程事故。因此，研究建筑膜结构在暴风雨、冰雹、风卷残物等作用下的振动特性，把握其一般规律，对合理地进行建筑膜结构的设计和施工，防止或减少建筑膜结构工程事故等，具有重要意义。另外，将建筑膜结构非线性振动的研究应用于建筑膜结构预张力测量方法的研究中，也具有较大的工程实践意义；通过所研究的方法测量建筑膜结构的预张力，控制实际张力值与设计值相符合，保证工程质量；并适时检测建筑膜结构在使用过程中的张力值是否变化，以采取有效的措施调整预张力，防止或减少工程事故。 本论文主要对正交异性矩形薄膜结构的大挠度非线性自由振动及其在冲击荷载作用下的非线性受迫振动进行理论和应用研究。首先采用解析方法研究正交异性矩形膜结构几何非线性自由和受迫振动问题，求得其近似解析解；然后将理论研究应用于工程实际，提出测量建筑膜结构预张力的新方法——“弹射法”，推导出测量的理论公式，并进行数值分析和试验研究，验证“弹射法”测量建筑膜结构预张力的有效性。本文的具体研究内容如下： ①运用冯卡门大挠度理论结合达朗贝尔原理建立正交异性矩形薄膜结构无阻尼和有阻尼大挠度非线性自由振动偏微分控制方程组；采用直接积分法和L-P摄动法对无阻尼自由振动控制方程组进行求解，得到其振动频率和挠度函数的近似解析解；采用KBM摄动法对有阻尼自由振动控制方程组进行求解，得到其振动频率和挠度函数的近似解析解。 ②以正交异性矩形薄膜结构大挠度非线性自由振动研究为基础，建立正交异性矩形薄膜结构在冲击荷载作用下的无阻尼和有阻尼受迫振动控制方程组；采用L-P摄动法对无阻尼受迫振动控制方程进行求解，得到其振动频率和挠度函数的近似解析解；采用KBM摄动法对有阻尼受迫振动控制方程进行求解得其振动频率和挠度函数的近似解析解；采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对正交异性矩形薄膜结构在冲击荷载作用下的受迫振动进行数值分析，并将数值分析结果与理论结果进行对比分析，分析结果表明理论计算和数值结果吻合较好。 ③将正交异性矩形薄膜结构大挠度非线性振动的理论研究应用于建筑膜结构工程实际，提出测量建筑膜结构预张力的新方法——“弹射法”，建立测量的理论模型，并按照能量守恒原理推导出测量的理论公式；采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件建立“弹射法”测量建筑膜结构预张力的有限元分析模型，进行数值分析；将数值分析结果与理论结果进行对比，从数值分析上佐证了“弹射法”测量建筑张拉膜结构预张力的有效性。 ④根据“弹射法”的理论研究，制定“弹射法”测量建筑膜结构预张力的试验方案；按照试验方案研制了十字形螺杆式双轴张拉装置对膜材试件进行张拉；选用建筑工程中常用的三种膜材进行经纬等荷和经纬不等荷弹射试验；将获得的各组试验数据代入测量的理论公式求得膜材的试验计算预张力，并将试验计算预张力与膜材实际预张力进行对比分析；分析表明，膜材试验计算预张力与实际预张力比较吻合，从试验上验证了采用“弹射法”测量建筑膜结构预张力的有效性。
【关键词】：建筑膜结构 摄动法 非线性振动 弹射法 预张力测量
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TU399
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 1 绪论12-34
• 1.1 研究背景12-16
• 1.2 研究意义16-18
• 1.3 国内外研究现状18-31
• 1.3.1 薄膜结构动力分析力学基础的发展18-19
• 1.3.2 薄膜结构动力分析的基本力学理论19-24
• 1.3.3 薄膜结构振动问题研究现状24-27
• 1.3.4 建筑膜结构预张力测量研究现状27-31
• 1.4 目前研究中主要存在的问题31-32
• 1.5 本文主要工作及研究目标和技术路线32-34
• 1.5.1 主要工作32
• 1.5.2 研究目标32-33
• 1.5.3 技术路线33-34
• 2 正交异性矩形膜结构非线性自由振动34-64
• 2.1 无阻尼自由振动34-51
• 2.1.1 控制方程34-37
• 2.1.2 边界条件37
• 2.1.3 振动频率的级数解37-42
• 2.1.4 控制方程的 L-P 摄动解42-45
• 2.1.5 算例分析45-51
• 2.2 有阻尼自由振动51-61
• 2.2.1 控制方程和边界条件51
• 2.2.2 控制方程的 KBM 摄动解51-56
• 2.2.3 算例分析56-61
• 2.3 本章小结61-64
• 3 正交异性矩形膜结构在冲击荷载下的受迫振动64-88
• 3.1 无阻尼受迫振动64-76
• 3.1.1 冲击荷载64-65
• 3.1.2 控制方程和边界条件65-66
• 3.1.3 控制方程求解66-73
• 3.1.4 算例分析73-76
• 3.2 有阻尼受迫振动76-87
• 3.2.1 控制方程和边界条件76-77
• 3.2.2 控制方程求解77-81
• 3.2.3 算例分析81-87
• 3.4 本章小结87-88
• 4 正交异性矩形膜结构在冲击荷载下的受迫振动数值分析88-120
• 4.1 非线性有限元动力分析概述88-91
• 4.1.1 动力分析软件 ANSYS/LS-DYNA88-89
• 4.1.2 接触碰撞分析算法89-91
• 4.2 有限元分析模型91-93
• 4.2.1 单元类型与材料模型91-92
• 4.2.2 网格划分与预张力的施加92-93
• 4.3 求解过程93-95
• 4.4 数值与理论结果对比分析95-99
• 4.4.1 位移时程曲线对比95-98
• 4.4.2 最大位移值对比98-99
• 4.5 参数影响分析99-118
• 4.5.1 薄膜尺寸的影响99-104
• 4.5.2 薄膜预张力的影响104-108
• 4.5.3 小球入射速度的影响108-111
• 4.5.4 薄膜面密度的影响111-114
• 4.5.5 小球质量的影响114-118
• 4.6 本章小结118-120
• 5 “弹射法”测量建筑膜结构预张力的理论研究120-132
• 5.1 “弹射法”概述120-121
• 5.2 “弹射法”的理论公式121-127
• 5.2.1 公式推导121-123
• 5.2.2 测量区域边界尺寸确定123-124
• 5.2.3 小球的选用与其入射速度的确定124-127
• 5.3 测量过程分析127-128
• 5.4 算例分析128-129
• 5.5 理论误差分析129-130
• 5.6 本章小结130-132
• 6 “弹射法”测量建筑膜结构预张力的数值分析132-150
• 6.1 数值分析方案132-133
• 6.2 数值分析模型133-136
• 6.2.1 小球入射速度等级133-135
• 6.2.2 膜材预张力等级135
• 6.2.3 单元选取与网格划分135-136
• 6.2.4 接触定义和边界条件136
• 6.3 数值计算结果分析136-149
• 6.3.1 能量关系136-140
• 6.3.2 不同入射速度小球冲击下膜面的最大位移140-146
• 6.3.3 同一小球入射速度下不同预张力膜面的最大位移146-149
• 6.4 本章小结149-150
• 7 “弹射法”测量建筑膜结构预张力的试验研究150-184
• 7.1 膜材试件150-151
• 7.2 试验仪器与装置151-156
• 7.2.1 膜材张拉装置151-154
• 7.2.2 弹射装置及测速仪154-155
• 7.2.3 拉力计155
• 7.2.4 加速度传感器155-156
• 7.3 试验过程156-177
• 7.3.1 标定小球初速度156
• 7.3.2 弹射试验156-177
• 7.4 试验结果处理分析177-182
• 7.4.1 经纬等荷试验177-179
• 7.4.2 经纬不等荷载试验179-181
• 7.4.3 试验误差分析及其改进措施181-182
• 7.5 本章小结182-184
• 8 结论与展望184-188
• 8.1 主要结论184-185
• 8.2 主要创新点185-186
• 8.3 后续工作展望186-188
• 致谢188-190
• 参考文献190-200
• 附录200-210
• A：“弹射法”测量公式编程200-208
• B：作者在攻读博士学位期间发表的论文目录208-209
• C：作者在攻读博士学位期间获得的专利目录209-210
• D：作者在攻读博士学位期间参加的科研项目210
• E：作者在攻读博士学位期间所获奖励210

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 唐光明;;三向张力索网的动力特性研究[J];科技创新与应用;2014年35期

2 朱博;;阻尼振动及受迫振动系统的能量研究[J];科技创新与应用;2015年17期

3 董继蕾;陈盼;沈火明;;参量对正交异性矩形膜结构非线性振动的影响[J];应用数学和力学;2014年S1期

  本文关键词：建筑膜结构非线性振动及其预张力测量理论和试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：350541