基于ANSYS的恒張力薄膜外載荷作用下變形分析

1、46第36卷第16期西建筑 Vol.36No.16 山2010年6月Jun. 2010SHANXI ARCHITECTURE文章編號(hào):1009 6825(2010)16 0046 02基于ANSYS的恒張力薄膜外載荷作用下變形分析劉 曉 易傳云摘 要:使用APDL語(yǔ)言建立了恒張力薄膜參數(shù)化分析命令流,借助ANSYS優(yōu)化模塊,通過(guò)迭代方法,找到了滿足模型誤差要求的參數(shù)值,實(shí)現(xiàn)了恒張力薄膜的變形分析,對(duì)于實(shí)際工程設(shè)計(jì)參數(shù)的校核與優(yōu)化有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:恒張力,薄膜,分析方法,非線性有限元法,變形問(wèn)題中圖分類號(hào):TU312文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A薄膜材料質(zhì)量輕、柔性好,在一定預(yù)緊力作用下能夠抵抗外1載。

2、平面薄膜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于張緊和控制,廣泛用于建筑、工業(yè)等諸多領(lǐng)域之中。對(duì)于固定邊界的薄膜長(zhǎng)期使用后容易產(chǎn)生徐變,常需要二次張緊才能保證工作性能2。一些自動(dòng)化控制的場(chǎng)合常對(duì)薄膜采用恒張力控制,這樣既能一直保持薄膜張力,又能控制其在外載荷作用下的變形量,特別適合空間有限或裝置不便拆裝的情況。矩形薄膜是平面薄膜結(jié)構(gòu)中最為常見的形式,對(duì)于受載簡(jiǎn)單的固定邊界矩形薄膜可直接推導(dǎo)變形公式。文獻(xiàn)3通過(guò)建立薄膜變形后的微分方程及應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系,求出了受橫向均布載荷矩形薄膜的變形方程;文獻(xiàn)4采用能量法求得了矩形薄膜在壓力載荷作用下的近似解。但是對(duì)于帶有自由邊或非完全約束邊界的薄膜結(jié)構(gòu),如恒張力薄膜,邊界條件不

3、能確定,方程難以求解。本文借助ANSYS軟件,采用非線性有限元法2來(lái)分析恒張力薄膜的變形問(wèn)題。要完成分析,薄膜初始長(zhǎng)度還需要確定的量,可不斷改變薄膜初始模型來(lái)反復(fù)分析,直到找到滿足精度要求的初始參數(shù)值。這顯然比較麻煩,且具有一定的盲目性。如果能通過(guò)程序自動(dòng)完成模型參數(shù)更新和迭代計(jì)算,則可方便的解決此問(wèn)題。ANSYS軟件提供參數(shù)化的編程語(yǔ)言,可方便的實(shí)現(xiàn)用戶的二次開發(fā)。膜法向投影面積,由于薄膜側(cè)向變形很小,可認(rèn)為A保持不變,則Fz可求。不計(jì)薄膜自重,由薄膜對(duì)稱性可得兩端支反力,再由勾股定理可得張力豎直方向的分力。1 恒張力薄膜模型及分析方法恒張力薄膜受到外載荷作用時(shí),通過(guò)卷筒收、放卷來(lái)維持恒定的

4、張力。如圖1所示:其中虛線部分表示卷筒,工作狀態(tài)時(shí),薄2 算例恒張力薄膜模型如圖1所示:AB端固定,CD端張力控制,膜AB端固定,CD端與卷筒連接,并做恒張力控制。如果建立薄長(zhǎng)度均為5m;AD,BC為自由邊,長(zhǎng)度均為6m。張力大小為膜與卷筒的膜 實(shí)體接觸模型,模型復(fù)雜,計(jì)算量大,難以收斂。700N/m,張拉剛度E=300kN/m,薄膜厚度為0.001m,泊松比卷筒剛度很大,可忽略其變形,因此可以將薄膜單獨(dú)作為分析對(duì)象。由于卷筒直徑很小,如果不記薄膜與卷筒接觸位置的變化,此時(shí)可以將其看作是平面薄膜結(jié)構(gòu)的一種特例。忽略CD邊上的緊縮,限制除豎直方向的5個(gè)自由度,并耦合各結(jié)點(diǎn)位置5。這樣恒張力薄膜可

5、以看作是一初始長(zhǎng)度未知的矩形薄膜,一端固定,一端受恒定的張緊力,薄膜受外載變形后兩端距離應(yīng)等于AD。當(dāng)薄膜處于平衡狀態(tài)時(shí),AB,CD兩端法向支反力與外載法向分力平衡。以壓力載荷為例,法向合力Fz=PA。其中,A為薄到之后,具體時(shí)間應(yīng)選擇在氣溫相對(duì)為最低時(shí);3)后澆帶的填筑材料應(yīng)選擇微膨脹混凝土。參考文獻(xiàn):v=0.3,膜面均壓P=100Pa。2.1 分析過(guò)程利用ANSYS軟件分析薄膜結(jié)構(gòu)包括找形及載荷分析等過(guò)程。對(duì)于平面薄膜找形過(guò)程較為簡(jiǎn)單,找形后膜內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力,相當(dāng)于剛化的過(guò)程。本文借助ANSYS優(yōu)化模塊,以薄膜初始長(zhǎng)度a為設(shè)計(jì)變量,變形后張力控制邊的位移t為狀態(tài)變量,模型長(zhǎng)度的絕對(duì)誤差值f作為

6、目標(biāo)函數(shù),通過(guò)迭代優(yōu)化來(lái)求取目標(biāo)函數(shù)的最小值。具體分析過(guò)程如下:1 李富民.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)伸縮縫間距計(jì)算J.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005(5):22 24.2 曾 燕.伸縮縫間距設(shè)置的討論J.建筑結(jié)構(gòu),2002(5):30 33.3DiscussionontheexpansionjointspacingHUBin bin TUBin WANGJin qiangAbstract:Thisthesisdiscussesthestudyontheexpansionjointspacingproblemsathomeandabroadinrecentyears,respectivelydescrib

7、esthe anti!and open!twoviews,andproposesthemosteffectivemeanstoinhibitdeformationtemperatureandhumidityshrinkagecracks,toperfectthemechanismoftemperatureexpansionandshrinkagecracksissues.Keywords:expansionjoints,temperatureandshrinkage,cracks,sprinklestrapbehind收稿日期:2010 02 08作者簡(jiǎn)介:劉 曉(1985 ),男,華中科技大

8、學(xué)碩士研究生,湖北武漢 430074易傳云(1959 ),男,教授,華中科技大學(xué),湖北武漢 430074第36卷第16期 劉 曉等:基于ANSYS的恒張力薄膜外載荷作用下變形分析2010年6月47 1)APDL參數(shù)化建模。建立薄膜模型為5#a,并賦a初值為6。2)選擇Shell41單元,只計(jì)拉力作用,劃分網(wǎng)格為三角單元,完成約束設(shè)置和加載6。為保證整個(gè)計(jì)算過(guò)程的收斂,設(shè)置力收斂準(zhǔn)則為0.04,平衡迭代次數(shù)為30,選用大變形理論,完成初次找形和載荷分析。薄膜變形結(jié)果如圖2所示。3)提取張力控制邊的位移值t,即節(jié)點(diǎn)Y向最大位移值。建min(f)立恒張力薄膜迭代求解的數(shù)學(xué)模型:f=ABS(a-t-6

9、)。0t0.5長(zhǎng)度方向的位移在工程中一般無(wú)重大影響,其上限不能超過(guò)薄膜最大放卷長(zhǎng)度。法向位移受到張力和外載等的共同影響,張力越大、外載越小,則法向位移越小。外載荷一定時(shí),通過(guò)改變張力大小可以控制薄膜的法向變形量。以算例模型為例,保持外載荷不變,改變張力大小,得到不同張力下法向最大位移值,見圖6。薄膜自重相對(duì)于張力和外載荷很小,重力對(duì)薄膜變形分布的影響很小。一般工程應(yīng)用忽略薄膜重力是可以保證計(jì)算精度要求的。6a6.54)求取目標(biāo)函數(shù),將以上命令流生成宏命令7。5)按照數(shù)學(xué)模型編制迭代命令,選擇一階優(yōu)化方法,設(shè)置各參數(shù)收斂精度。調(diào)用先前生成的宏命令,執(zhí)行迭代程序。迭代優(yōu)化過(guò)程就是尋求目標(biāo)函數(shù)的最小

10、值,即尋找模型誤差最小時(shí)設(shè)計(jì)變量的值。迭代運(yùn)算結(jié)果見表1。其中參數(shù)結(jié)果根據(jù)輸出格式要求,已四舍五入,實(shí)際計(jì)算精度要比表1中所示的數(shù)據(jù)更高一些。表1 迭代序列迭代次數(shù)1設(shè)計(jì)變量a6.0000006.185216狀態(tài)變量t0.1735280.185217目標(biāo)函數(shù)f0.1735280.1E-056)生成分析結(jié)果。由表1知,一次迭代運(yùn)算之后,目標(biāo)函數(shù)值已能夠滿足計(jì)算精度。保留參數(shù)值,生成分析結(jié)果,此時(shí)薄膜三個(gè)方向上的位移云圖分別見圖3圖5。3 結(jié)語(yǔ)使用APDL語(yǔ)言建立了恒張力薄膜參數(shù)化分析命令流,借助ANSYS優(yōu)化模塊,通過(guò)迭代方法,找到了滿足模型誤差要求的參數(shù)值,實(shí)現(xiàn)了恒張力薄膜的變形分析。分析參數(shù)

11、調(diào)整方便,對(duì)于實(shí)際工程,特別是工程設(shè)計(jì)之初設(shè)計(jì)參數(shù)的校核與優(yōu)化,有一定參考價(jià)值。參考文獻(xiàn):1 閻春平,李志軍,劉 飛.ANSYS的索膜結(jié)構(gòu)找形系統(tǒng)研究J.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(6):86 89.2 唐 喜.基于ANSYS參數(shù)化語(yǔ)言的索膜結(jié)構(gòu)找形優(yōu)化和荷載分析D.南京:河海大學(xué)碩士論文,2002.3 劉開國(guó).板式膜結(jié)構(gòu)的分析J.空間結(jié)構(gòu),2005,11(2):39 41.4 黃 炎,楊瑞生.平面薄膜在內(nèi)壓作用下的大變形分析J.湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2000,27(3):14 18.2.2 結(jié)果分析薄膜側(cè)向變形量很小,且由于張力恒定,外載變化對(duì)其影響不大。如算例分析結(jié)果,提取節(jié)點(diǎn)法向合力為29

12、93.1N,可算得薄膜變形后法向投影面積為29.931m2,而初始面積為30m2,可見受力分析時(shí)近似認(rèn)為法向投影面積不變是可以的。恒張力薄膜5 熊開春.基于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臋C(jī)械 織物系統(tǒng)若干性能研究D.上海:東華大學(xué)碩士論文,2007.6 王富恥,張朝暉.ANSYS10.0有限元分析理論與工程應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社,2006.7 龔曙光,黃云清.有限元分析與ANSYSAPDL編程及高級(jí)應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.AdeformationanalysisonANSYS basedconstanttensionfilmdeformationunderexternalloadLIUXiao YIChuan yunAbstract:UsingAPDLlanguagetocreateaconstanttensionfilmparametricanalysiscommandstream,usingANSYSoptimizationmodule,throughtheiterativemethod,thisstudyfoundparameterstomeettherequirementsofmodelerror,andachievedaconstanttensionfilm