氣肋式膜結(jié)構(gòu)分析理論與方法研究

項(xiàng)目組查閱了氣肋式充氣膜結(jié)構(gòu)相關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)和現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)；進(jìn)行了膜材徑向、緯向單軸拉伸試驗(yàn)和徑向、緯向不同應(yīng)力比雙軸拉伸試驗(yàn)，掌握了膜材基本力學(xué)性能及指標(biāo)；考慮不同矢跨比、徑跨比，設(shè)計(jì)、制作了4組縮比氣肋拱模型，進(jìn)行了不同初始幾何條件、不同邊界條件下氣肋拱模型充氣成型試驗(yàn)，得到了氣肋拱充氣過程中的展開規(guī)律和氣壓變化規(guī)律，總結(jié)歸納出不同矢跨比氣肋拱充氣成型實(shí)用方法；進(jìn)行了氣肋拱模型泄氣倒塌試驗(yàn)，得到氣肋拱泄氣倒塌過程中氣壓變化規(guī)律；進(jìn)行了氣肋拱模型不同內(nèi)壓時水平、豎向荷載試驗(yàn)，得到氣肋拱承載能力與內(nèi)部氣壓近似成正比、與氣肋拱直徑的平方近似成正比的規(guī)律；對項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持設(shè)計(jì)的可移動機(jī)庫氣肋框架膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充氣成型、泄氣倒塌試驗(yàn)，得到氣肋框架式膜結(jié)構(gòu)充氣成型、泄氣倒塌規(guī)律，歸納出充氣成型的關(guān)鍵因素；進(jìn)行了氣肋框架式膜結(jié)構(gòu)水平、豎向荷載試驗(yàn)，歸納出氣肋框架結(jié)構(gòu)的受力特性，得出氣肋連系梁不僅可以傳遞拉力，同樣可以傳遞壓力、剪力和彎矩，證明了氣肋拱與氣肋梁可以形成氣肋框架結(jié)構(gòu)。 歸納出通過三維攝影測量技術(shù)獲得充氣膜結(jié)構(gòu)在充氣成型和泄氣倒塌動態(tài)過程中位移的測量方法；基于流固耦合，采用控制體積法（CV法）對氣肋式膜結(jié)構(gòu)充氣、泄氣過程進(jìn)行仿真模擬，考查了不同幾何形態(tài)、充氣方式、折疊形式、充氣風(fēng)速等對成型的影響；建立了求解簡單形式氣肋式膜結(jié)構(gòu)充氣、泄氣過程狀態(tài)參數(shù)的實(shí)用簡化分析方法，提出可供實(shí)際工程參考的設(shè)計(jì)參數(shù)、折疊形式及充氣方法；提出動態(tài)迭代變形因子法動態(tài)調(diào)整非線性迭代過程中變形增量，解決充氣膜結(jié)構(gòu)荷載分析過程中由于接觸、膜皺褶等因素導(dǎo)致非線性荷載分析過程中迭代收斂性差的問題；開發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的充氣膜結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)程序，通過氣肋拱和氣肋框架荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證了程序的正確性；探討了氣肋式膜結(jié)構(gòu)在不同矢跨比、徑跨比、內(nèi)壓等參數(shù)變化時的受力規(guī)律，提出了氣肋拱承載能力實(shí)用計(jì)算公式。 項(xiàng)目取得如下研究成果：設(shè)計(jì)建造了我國第一個氣肋框架式充氣膜結(jié)構(gòu)可移動機(jī)庫；項(xiàng)目負(fù)責(zé)人作為第一完成人獲得2015年度上海市科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)，項(xiàng)目名稱“充氣膜結(jié)構(gòu)新體系分析設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)”；已發(fā)表科技論文10篇，其中SCI檢索論文3篇，另外1篇SCI論文處于修改稿階段，還完成了2篇SCI論文初稿；培養(yǎng)博士研究生2名，碩士研究生1名。

氣肋式膜結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于公共建筑、災(zāi)后救助、野戰(zhàn)臨建等民用、軍用領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者基于固體力學(xué)理論對其力學(xué)性能及數(shù)值分析方法進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究，但存在非線性方程迭代收斂困難、難以模擬內(nèi)部氣體壓力變化等問題，針對氣肋式膜結(jié)構(gòu)充氣過程仿真的研究也較少。本項(xiàng)目通過數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究，基于流固耦合理論，采用任意拉格朗日-歐拉（ALE）描述，建立氣肋式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣體和膜面以及界面的控制方程，對耦合算法、邊界追蹤、網(wǎng)格更新及非線性方程迭代控制方法進(jìn)行研究；提出適用于氣肋式膜結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析方法，探討其力學(xué)特性、破壞機(jī)理；采用控制體積法（CV）等理論，對氣肋式膜結(jié)構(gòu)充氣、泄氣過程進(jìn)行仿真研究，考查充氣方式、折疊形式、充氣風(fēng)速、環(huán)境因素等對其成形的影響；通過對簡單形式氣肋式膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)分析，建立其承載力實(shí)用計(jì)算公式。本項(xiàng)目的完成可以完善氣肋式膜結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)理論，也為其它類型充氣膜結(jié)構(gòu)的分析提供參考。

本研究以建筑師視角為根本，基于建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)作的過程，將建筑設(shè)計(jì)分析的理論框架分為對現(xiàn)象世界的分析、設(shè)計(jì)作品分析和設(shè)計(jì)過程中的分析，系統(tǒng)研究三種分析各自的特性及對設(shè)計(jì)創(chuàng)作的作用。同時以圖形語言為主要載體，詳細(xì)再現(xiàn)不同類型的分析下所包含的分析方法和分析技術(shù)。從理論和方法兩個層面系統(tǒng)研究建筑設(shè)計(jì)分析。該研究是現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)方法論研究的擴(kuò)展。使基于設(shè)計(jì)分析的理性設(shè)計(jì)方法成為傳統(tǒng)的只可意會不可言傳的師徒傳授式的設(shè)計(jì)模式的補(bǔ)充。本研究凸顯最生動的設(shè)計(jì)創(chuàng)作過程，成為從事實(shí)踐創(chuàng)作的設(shè)計(jì)師與從事理論研究的理論學(xué)者之間溝通且互為補(bǔ)充借鑒的橋梁。