常用的計算機找形方法有:力密度法、動(dòng)力松弛法、有限元法。
2.2力密度法
索網(wǎng)結構中拉力與索長(cháng)度的比值定義為力密度(Force Density)。力密度法(Force Density Method)是由Linkwitz 及 Schek提出來(lái)的,原先只是用于索網(wǎng)結構的找形,將膜離散為等代索網(wǎng),后來(lái),該方法被用于膜結構的找形。把等代為索的膜結構看成是由索段通過(guò)結點(diǎn)相連而成,通過(guò)指定索段的力密度,建立并求解結點(diǎn)的平衡方程,可得各自由結點(diǎn)的坐標。
不同的力密度值,對應不同的外形。當外形符合要求時(shí),由相應的力密度即可求得相應的預應力分布值。力密度法也可以用于求解最小曲面,最小曲面時(shí)膜內應力處處相等,肥皂膜就是最好的最小曲面的例子。實(shí)際上的最小曲面無(wú)法用計算機數值計算方法得到,所以工程上常采用指定誤差來(lái)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(xiàn)性方程組,其精度一般能滿(mǎn)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。 2.3 動(dòng)力松弛法
動(dòng)力松弛法( Dynamic Relaxation Method )是一種專(zhuān)門(mén)求解非線(xiàn)性系統平衡狀態(tài)的數值方法,他可以從任意假定的不平衡狀態(tài)開(kāi)始迭代得到平衡狀態(tài),最早將這種方法用于索網(wǎng)結構的是 Day 和 Bunce,而 Barnes 則成功地應用于膜結構的找形。
力密度法只是從空間上將膜離散化,而動(dòng)力松弛法從空間和時(shí)間兩方面將膜結構體系離散化?臻g上的離散化是將結構體系離散為單元和結點(diǎn),并假定其質(zhì)量集中于結點(diǎn)上。時(shí)間上的離散化,是針對結點(diǎn)的振動(dòng)過(guò)程而言的。初始狀態(tài)的結點(diǎn)在激振力作用下開(kāi)始振動(dòng),這時(shí)跟蹤體系的動(dòng)能;當體系的動(dòng)能達到極值時(shí),將結點(diǎn)速度設置為零,跟蹤過(guò)程重新開(kāi)始,直到不平衡力為極小,達到新的平衡為止。
動(dòng)力松弛法最大特點(diǎn)是迭代過(guò)程中不需要形成剛度矩陣,節約了剛度矩陣的形成和分解時(shí)間,并可在計算過(guò)程中修改結構的拓撲和邊界條件,該方法用于求解給定邊界條件下的平衡曲面。其缺點(diǎn)是迭代步驟往往很多。用動(dòng)力松弛法找形的軟件有英國InTENS、新加坡WinFabric、英國Suface等。
2.4 有限單元法有限單元法(Finite Element Method)最初是用來(lái)計算索網(wǎng)結構的非線(xiàn)性迭代方法,但現在已成為較普遍的索膜結構找形方法。其基本算法有兩種,即從初始幾何開(kāi)始迭代和從平面狀態(tài)開(kāi)始迭代。顯然,從初始幾何開(kāi)始迭代找形要比從平面狀態(tài)開(kāi)始來(lái)得有效,且所選用的初始幾何越是接近平衡狀態(tài),計算收斂越快,但初始幾何的選擇并非容易之事。兩種算法中均需要給定初始預應力的分布及數值。在用有限元法找形時(shí),通常采用小楊氏模量或者干脆略去剛度矩陣中的線(xiàn)性部分,外荷載在此階段也忽略。 有限元迭代過(guò)程中,單元的應力將發(fā)生改變。求得的形狀除了要滿(mǎn)足平衡外,還希望應力分布均勻,大小合適,以保證結構具有足夠的剛度。因此,找形過(guò)程中還有個(gè)曲面病態(tài)判別和修改的問(wèn)題,或者叫形態(tài)優(yōu)化(包括幾何形態(tài)優(yōu)化、應力形態(tài)優(yōu)化和剛度形態(tài)優(yōu)化等)。用有限元法找形的軟件有澳大利亞FABDES等。經(jīng)過(guò)找形確定的結構初始形狀滿(mǎn)足了初應力平衡條件并達到預想的形狀,但其是否滿(mǎn)足使用的要求,還必須進(jìn)行荷載效應分析 |