氣肋式膜結構分析理論與方法研究

項目組查閱了氣肋式充氣膜結構相關的國內(nèi)外文獻和現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)；進行了膜材徑向、緯向單軸拉伸試驗和徑向、緯向不同應力比雙軸拉伸試驗，掌握了膜材基本力學性能及指標；考慮不同矢跨比、徑跨比，設計、制作了4組縮比氣肋拱模型，進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，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，總結歸納出不同矢跨比氣肋拱充氣成型實用方法；進行了氣肋拱模型泄氣倒塌試驗，得到氣肋拱泄氣倒塌過程中氣壓變化規(guī)律；進行了氣肋拱模型不同內(nèi)壓時水平、豎向荷載試驗，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；對項目負責人主持設計的可移動機庫氣肋框架膜結構進行了充氣成型、泄氣倒塌試驗，得到氣肋框架式膜結構充氣成型、泄氣倒塌規(guī)律，歸納出充氣成型的關鍵因素；進行了氣肋框架式膜結構水平、豎向荷載試驗，歸納出氣肋框架結構的受力特性，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構。 歸納出通過三維攝影測量技術獲得充氣膜結構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）對氣肋式膜結構充氣、泄氣過程進行仿真模擬，考查了不同幾何形態(tài)、充氣方式、折疊形式、充氣風速等對成型的影響；建立了求解簡單形式氣肋式膜結構充氣、泄氣過程狀態(tài)參數(shù)的實用簡化分析方法，提出可供實際工程參考的設計參數(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)調整非線性迭代過程中變形增量，解決充氣膜結構荷載分析過程中由于接觸、膜皺褶等因素導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)權的充氣膜結構分析設計程序，通過氣肋拱和氣肋框架荷載試驗，驗證了程序的正確性；探討了氣肋式膜結構在不同矢跨比、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用計算公式。 項目取得如下研究成果：設計建造了我國第一個氣肋框架式充氣膜結構可移動機庫；項目負責人作為第一完成人獲得2015年度上海市科技進步二等獎1項，項目名稱“充氣膜結構新體系分析設計與施工關鍵技術”；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。

氣肋式膜結構廣泛應用于公共建筑、災后救助、野戰(zhàn)臨建等民用、軍用領域。國內(nèi)外學者基于固體力學理論對其力學性能及數(shù)值分析方法進行了理論與試驗研究，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，針對氣肋式膜結構充氣過程仿真的研究也較少。本項目通過數(shù)值模擬及試驗研究，基于流固耦合理論，采用任意拉格朗日-歐拉（ALE）描述，建立氣肋式膜結構內(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行研究；提出適用于氣肋式膜結構的數(shù)值分析方法，探討其力學特性、破壞機理；采用控制體積法（CV）等理論，對氣肋式膜結構充氣、泄氣過程進行仿真研究，考查充氣方式、折疊形式、充氣風速、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構進行參數(shù)分析，建立其承載力實用計算公式。本項目的完成可以完善氣肋式膜結構的分析設計理論，也為其它類型充氣膜結構的分析提供參考。

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