膜結(jié)構(gòu)的形狀確定問題就是確定初始狀態(tài)的問題,在許多專著上被稱為“找形”(FormFinding)。膜結(jié)構(gòu)的形狀確定問題有兩種類型:
1.給定預(yù)應(yīng)力分布的形狀確定問題:預(yù)先假定膜結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的分布情況,在根據(jù)受力合理或經(jīng)濟(jì)原則進(jìn)行分析計(jì)算,以得到膜的初始幾何狀態(tài)。
2.給定幾何邊界條件的形狀確定問題:預(yù)先確定膜結(jié)構(gòu)的幾何邊界條件,然后計(jì)算分析預(yù)應(yīng)力分布和空間形狀。
肥皂泡就是更合理的自然找形的膜結(jié)構(gòu)。更初的找形正是通過皂膜比擬來進(jìn)行,后來發(fā)展到用其他彈性材料做模型,通過測量模型的空間坐標(biāo)來確定形狀,對于簡單的外形也可以用幾何分析法來確定,膜結(jié)構(gòu)找形技術(shù)的真正發(fā)展來自計(jì)算機(jī)有限元分析方法的發(fā)展。為了尋求膜結(jié)構(gòu)的合理的幾何外形,需要通過計(jì)算機(jī)的多次迭代才能得到。
常用的計(jì)算機(jī)找形方法有:力密度法、動力松弛法、有限元法。
1.力密度法
索網(wǎng)結(jié)構(gòu)中拉力與索長度的比值定義為力密度(ForceDensity)。力密度法(ForceDensityMethod) 是由Linkwitz及Schek提出來的,原先只是用于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的找形,將膜離散為等代索網(wǎng),后來,該方法被用于膜結(jié)構(gòu)的找形。把等代為索的膜結(jié)構(gòu)看成是由索段通過結(jié)點(diǎn)相連而成,通過指定索段的力密度,建立并求解結(jié)點(diǎn)的平衡方程,可得各自由結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。不同的力密度值,對應(yīng)不同的外形。當(dāng)外形符合要求時(shí),由相應(yīng)的力密度即可求得相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力分布值。力密度法也可以用于求解更小曲面,更小曲面時(shí)膜內(nèi)應(yīng)力處處相等,肥皂膜就是更好的更小曲面的例子。實(shí)際上的更小曲面無法用計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法得到,所以工程上常采用指定誤差來得到可接受的較小曲面。力密度法的優(yōu)點(diǎn)是只需求解線性方程組,其精度一般能滿足工程要求。用力密度法找形的軟件有德國EASY ( EasyForm)、意大利Forten32、新加坡WinFabric等。
2.動力松弛法
動力松弛法( DynamicRelaxationMethod)是-種專門求解非線性系統(tǒng)平衡狀態(tài)的數(shù)值方法,他可以從任意假定的不平衡狀態(tài)開始迭代得到平衡狀態(tài),更早將這種方法用于素網(wǎng)結(jié)構(gòu)的是Day和Bunce, 而Barnes則成功地應(yīng)用于膜結(jié)構(gòu)的找形。
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