膜结构初始形态确定有限元分析

膜结构初始形态确定的有限元分析

摘要：介绍索膜结构的特征和基本体系，寻找初始平衡态，确

定初始形态的非线性有限元方法以及原理，建立相应的几何方程、

物理方程和平衡方程；应用一个典型的膜结构工程作为算例分析，

说明膜结构形态确定分析在ansys程序中实现的一般过程，最终确

定膜结构的初始形态。

关键词：膜结构；初始形态；非线性有限元；ansys

膜建筑是20世纪70年代发展university起来的一种新型建筑体

系，是空间结构的重要组成部分。柔性的膜结构的结构组成材料本

身没有受压性能，只能通过施加预应力，使膜或者加强索获得必要

的张拉刚度，从而形成抵抗外部荷载的结构抗力。基于这点，结构

形态确定就是膜结构设计过程很重要一个环节。在给定的边界条件

下，所施加的预应力的分布和大小与所形成的结构初始形状是相互

联系的，合理的确定这一初始形状和相应的自平衡预应力，就是膜

结构的初始形态分析。膜结构的初始形态即结构正常使用时的形

态，忽略其自身的微小的自重和自平衡预张力，结构不承受任何外

部荷载，此时也成为结构零态。

一、膜结构及其形态确定理论概述

（一）非线性有限元法找形的基本原理

非线性有限元法找形的基本原理先将索膜结构离散成若干单元，然

后针对索膜结构的小应变、大位移特点，应用几何非线性理论，建

立以节点位移为基本未知量的非线性有限元方程组，最后用迭代计