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            充氣式索膜結構的展開過程分析-項目案例-污水池加蓋-反吊膜|膜加蓋-除臭加蓋-膜結構公司-上海華喜膜結構工程有限公司
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            充氣式索膜結構的展開過程分析

            發布時間:2019年9月19日 點擊數:1509

            0 引言

            一直以來, 工程師都在追求結構的輕型化, 輕型結構也是可持續建筑結構發展中的重要環節[1], 其中充氣式索膜結構是最新發展起來的一種輕型結構形式, 它的主要材料是性能優良且重量輕的膜材, 通過向膜材內充氣達到由空氣壓力支撐膜面的效果, 并可利用柔性鋼索和剛性支撐結構將膜面繃緊, 從而形成具有一定剛度、覆蓋較大跨度的空間結構體系[2]。該類結構是一種應用前景廣闊的可折疊展開結構, 亦適用于臨時性、半永久性建筑及特種結構, 現已有的充氣式索膜結構包括日本的熊本公園穹頂、德國安聯體育場等。

            可折疊性是充氣式索膜結構的主要優勢之一, 該特點使得充氣式索膜結構的幾何構形產生較為顯著的變化, 但同時也會引起結構的損傷或性能的改變;而不同的折疊方式對充氣式結構又有著不同的影響[3]。然而, 結構折疊過程中的動態分析、褶皺成形及折疊過程對結構本身性能的影響的研究較少。有限元模擬可直觀地展現充氣式結構的展開動力學特性, 對展開過程進行數值模擬, 可有效預測充氣式展開結構展開時的動力學行為和特征。因此, 有必要進行充氣式結構有限元仿真方面的研究。

            1 理論研究

            本文所研究的充氣式索膜結構由圓柱形充氣式膜和鋼絞線拉索構成 (見圖1 (b) ) , 其創造思路源于索桁架結構 (見圖1 (a) ) , 索桁架結構的兩索之間由拉索或者撐桿聯系, 施加預應力以后形成, 拉索為撐桿提供了彈性支承。用充氣膜代替索桁架結構中的撐桿, 拉索與充氣膜在充氣內壓和預應力作用下共同工作, 組成充氣式索膜結構。

            圖1 索桁架結構與充氣式索膜結構

            圖1 索桁架結構與充氣式索膜結構   下載原圖

            由于膜材與拉索都是柔性結構, 折疊存放較為方便, 本文研究的充氣式索膜結構, 在結構的折疊收納上具有一定優勢。但需要指出, 結構中缺失剛度大的撐桿, 結構剛度有所降低, 影響到結構的承載能力。為此, 本文采用加大拉索截面面積、為拉索施加初始預應力等方法, 以保證結構的整體剛度[4]。

            1.1 充氣氣體和氣壓

            為了使充氣式索膜結構達到工作要求, 其充氣膜結構內部需要充入適量的氣體, 以保證內部具有一定的氣壓, 使結構具有較為滿意的剛度, 用以抵抗外荷載作用。充氣膜內所需氣體質量m0由理想氣體定律可知:

             

            式中, P為充氣膜內部氣壓;m為充氣膜內氣體總體積;M為氣體的摩爾質量;R為理想氣體常數;T為氣體的溫度。

            由于充氣式索膜結構并非理想的密閉結構, 在工作過程中, 避免不了會產生漏氣的問題。為了防止結構工作中產生漏氣問題而導致承載能力下降, 必須備用一定量的氣體, 才能保證膜內氣體在一定氣壓下正常工作[5]。根據動量定理、理想氣體定律以及氣體在運動學中的定理可得出工作期間需補充的氣體質量根:

             

            由以上分析可知, 為了保證充氣式索膜結構在一定的工作時間內正常工作, 所需備用的氣體的質量與氣體摩爾質量的開方、氣壓和泄露處的面積成正比, 而與充氣膜的總體積無關。所以, 充氣式索膜結構在工作期間所需氣體的總質量是:

             

            對于圓柱形充氣式索膜結構, 其零應力狀態內腔體積V0=πr2L+4πr3/3, r、L分別為其半徑和跨度, 半徑r=250mm, L=5.5m的充氣膜結構為例, 其體積V0=1.047m3, 工作的正常溫度為T=298K, 空氣的摩爾質量M=29g/mol, 理想氣體常數R=8.314J/ (K·mol) , 假設充氣后膜內氣壓為P, 單位為Pa (此處的壓強P是指相對氣壓, 若外部氣壓為大氣壓, 則P為大氣壓與充氣內壓之和) , 則結構在不考慮漏氣的情況下, 需要充入的氣體質量 (單位為g) 是:

             

            式中m0r將在LS-DYNA分析充氣式索膜充氣展開過程時, 用以控制充氣量, 以滿足結構的剛度要求。

            2 充氣式索膜結構的折疊展開

            2.1 Z字形折疊充氣式索膜結構展開過程模擬

            利用LS-DYNA對還未充氣的膜結構模型進行折疊, 成為Z字形, 折疊后的模型圖如圖2所示, 充氣膜的結構參數見表1, 由于拉索不易折成Z字形, 可將膜結構充氣完成后再進行拉索安裝。

            圖2 Z字形折疊充氣式膜結構模型

            圖2 Z字形折疊充氣式膜結構模型   下載原圖

            表1 充氣式膜結構參數     下載原表

            表1 充氣式膜結構參數

            將折疊后的模型作為起始狀態, 對Z字形折疊模型進行充氣展開分析, 充入氣體為空氣, 分子量29g/mol, 溫度為298K, 充入速度16g/s。由于充氣膜的起始狀態是折疊的, 折疊處將產生很大的曲率, 充氣展開過程中必然產生接觸, 接觸算法的優劣便顯得很重要, 它將直接關系到模擬結果的成功與否。Z字形折疊模型的充氣展開過程隨著時間變化圖如圖3所示。

            圖3 Z字形折疊充氣膜結構充氣展開過程

            圖3 Z字形折疊充氣膜結構充氣展開過程   下載原圖

            整個充氣展開過程持續約101s。由結構的展開過程圖可以看出, 隨著空氣的充入, 在氣壓的作用下, 充氣膜從Z字形緩緩展開, 最后變成平整的圓柱體。圓柱形充氣膜結構中間部分最先開始趨近飽和狀, 此時兩端的膜面并未展開, 隨著時間推移, 圓柱形充氣膜內漸漸注滿空氣, 趨近飽滿, 最后形成兩端球冠面的圓柱形充氣膜結構。然而, 由圖3可以看出, 折疊后的模型, 在折疊痕處單元發生較大的拉伸, 導致Z字形折疊模型充氣后無法完全平整, 折痕處單元有輕微翹曲。

            在16g/s的充氣速率下, 充氣膜結構的內腔體積隨時間變化的曲線如圖4 (a) 所示, 最后時刻, 充氣膜內腔達到理想狀態體積, 約為1.09×109mm3。經試算分析:當充氣速率增至32g/s時, 模型在較短時間內不易展開成為平整的形態, 因此, 分析中前15s將采用低速氣體質量流, 之后將充氣逐漸速率增至32g/s, 充氣展開狀態模型較為平展。充氣膜結構的內腔體積隨時間變化的曲線如圖4 (b) 所示。

            從圖中可以看出, 32g/s充氣速率的體積-時間曲線, 與16g/s充氣速率的體積-時間曲線不同的是, 前15s充氣膜內腔體積增加緩慢, 總耗時66s, 展開時間有所縮短。最后時刻, 充氣膜內腔體積達到約1.09×109mm3, 達到其理想體積。

            2.2 卷曲折疊充氣式索膜結構展開過程模擬

            利用LS-DYNA建立充氣式索膜結構的卷曲折疊模型, 充氣膜的結構參數同表1, 拉索的材料參數和模型參數見表2。圖5為圓柱形充氣式索膜結構卷曲折疊模型及拉索分布。

            以圖5 (a) 為起始狀態, 進行充氣展開分析, 充入氣體為空氣, 充入速度16g/s。卷曲折疊模型的充氣展開過程隨著時間變化圖如圖6所示。

            圖4 展開過程體積-時間曲線

            圖4 展開過程體積-時間曲線   下載原圖

            圖5 圓柱形充氣式索膜結構卷曲折疊模型及拉索分布

            圖5 圓柱形充氣式索膜結構卷曲折疊模型及拉索分布   下載原圖

            表2 拉索材料參數與模型參數     下載原表

            表2 拉索材料參數與模型參數
            圖6 卷曲折疊模型充氣展開過程

            圖6 卷曲折疊模型充氣展開過程   下載原圖

            由圖6可以看出, 卷曲折疊的充氣展開過程持續約101s, 隨著氣體的流入, 充氣膜從卷曲狀態逐漸展開至圓柱形, 但由于模型在卷曲折疊過程中, 一側單元拉伸, 另一側壓縮, 導致最后狀態模型略微彎曲。充氣速率為16g/s時, 卷曲折疊模型的體積-時間曲線如圖7 (a) 所示。從圖7 (a) 可以看出, 卷曲折疊模型充氣膜內腔體積, 前50s呈線性增長, 后50s增速減緩, 平穩上升, 與Z字形充氣展開的過程體積變化類似。經試算分析:當充氣速率增至32g/s時, 卷曲折疊的模型在較短時間內不易展開成為平整的形態, 因此, 分析前10s將采用低速氣體質量流, 之后將充氣逐漸速率增至32g/s, 充氣展開狀態模型較為平展。在32g/s的充氣速率下, 充氣膜結構的內腔體積隨時間變化的曲線如圖7 (b) 所示。

            圖7 展開過程體積-時間曲線

            圖7 展開過程體積-時間曲線   下載原圖

            圖8 卷曲折疊充氣式索膜結構的拉索展開過程

            圖8 卷曲折疊充氣式索膜結構的拉索展開過程   下載原圖

            由圖8可以看出, 卷曲折疊結構的拉索在展開過程中較不平滑, 其展開過程與充氣膜結構的展開過程基本類似;4根不同位置的拉索的展開過程有所區別, 但基本相似, 最后時刻所有拉索均幾乎展開成為直線形。其中拉索1的應力隨時間的變化如圖9所示。

            隨著氣體的流入, 拉索的最小、平均和最大索應力均在波動中有所增加, 平均值反映了充氣式索膜結構內拉索應力的變化情況, 每根拉索最后時刻的平均應力約為4MPa~7MPa, 拉索內最大拉應力約為13MPa~17MPa, 由此可見, 卷曲折疊結構的拉索基本處于低應力狀態。

            圖9 拉索1時間-應力曲線

            圖9 拉索1時間-應力曲線   下載原圖

            3結語

            結構的折疊方式不同, 其展開過程有所不同;同一折疊方式下, 隨著充氣速率的增大, 充氣式索膜結構的展開速度有明顯的提高, 但同時充氣式索膜結構的波動也加劇, 平穩性降低。在充氣展開模擬中, 就結構展開過程中的穩定性而言, 低速充氣方案優于高速充氣方案。拉索在展開過程中隨充氣膜的展開而展開, 拉索應力呈波動式增長, 并且一直處于低應力狀態。

            本文對充氣膜結構進行了Z字形折疊和卷曲折疊的充氣展開過程分析。在未來的研究中, 希望對結構采用更多的折疊方式, 比如Mirua折疊或Kresling折疊;尚需研究充氣展開過程中, 不同折疊方式對結構的應力和體積變化等影響。

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