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充气膜体力学模型及数值方法的研究
- 2020-07-24-

  充气膜结构应用广泛,不但用于体育场、商场等民用建筑中,而且在军事上也有应用,如平流层飞艇平台可以用来进行高分辨率对地观测。平流层飞艇平台的充气囊体是大体积充气式膜结构的代表。

  在飞艇囊体这一柔性充气式膜结构中,柔性结构之艇体由充气囊体构成,依靠于封闭了一定的压力气体构成了充气刚度。对于大体积柔性飞艇,掌提其在压差、重力荷载下的变形,对于其结构制造、设备安装有重大的现实意义。

  文中利用传统力学理论及商用有限元软件,对飞艇这一典型充气膜结枃的变形进行数值计算,对计算结果进行比校分析,探讨压差、重力荷载对于飞艇充气囊体的变形影响,以便于为平流层飞艇设计制造提供一些参考。

  我们先来了解下充气式膜结构中充气体力学模型与数值方法:

  1、充气囊体的几何外形:

  文中使用的飞艇平台囊体的长细比为2.65,外形曲线为非标准三叶玫瑰线的一枝。

  2、边界处理方法:

  对悬浮于空气中的飞艇进行有限元静力分析计算时,不能把飞艇处理为全自由的结构。因此,在进行有限元的静力分析之时,通常假设结构的计算模型之中没有机构,且不允许有刚体运动,否则,刚度矩阵奇异,导致求解失败或者得到不正确的结果。在数值分析中,通常可以采用惯性释放技术或在适合的点施加约束两种方法。

  采用惯性释放的方法较加约束的方法在某些方面越接近于真实的情况,格外是在局部范围内。但是充气膜采用惯性释放技术时,无法计及重力荷载效应的影响。因此,在考虑重力荷载效应时,应采用在适合的点施加约束的方法,如若只考虑压差影响,则采用惯性释放越加合理。