《圓形和矩形薄膜結構在衝擊荷載作用下的動力回響研究》是依託重慶大學，由鄭周練擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：圓形和矩形薄膜結構在衝擊荷載作用下的動力回響研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：鄭周練
- 依託單位：重慶大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項目致力於研究圓形和矩形薄膜結構在衝擊荷載作用下的動力回響問題。利用馮o卡門薄膜大撓度理論，結合能量法，考慮膜材幾何非線性以及空氣阻尼的影響，分別建立各向同性圓形、矩形和正交異性矩形薄膜結構在衝擊荷載作用下動力回響的非線性偏微分控制方程組。採用自由參數攝動法，分別按照簡支（固支）和滑動邊界求解控制方程組，得到其近似解析解；同時，套用ANSYS/LS-DYNA進行數值模擬分析，並進行試驗研究；將數值分析和試驗研究結果與理論結果進行對比分析，得到薄膜結構在衝擊荷載作用下各特徵點的加速度、速度和位移時程，以及在衝擊荷載作用後，膜結構的鬆弛、變形或破壞趨勢，總結其一般規律，為建築膜結構設計、施工和二次張拉提供一些理論依據，並發展一種適用於柔性薄膜結構在衝擊荷載作用下動力回響研究的改進非線性解析分析方法。
結題摘要
薄膜結構是由新材料和新形式形成的新型建築結構，被譽為“21世紀的建築”。由於其自重輕、阻尼小、非線性強和柔度大等特點，因而在風、暴雨和冰雹等衝擊荷載的作用下容易發生振動，使建築薄膜結構產生較大的變形甚至撕裂，最終導致各類工程事故。因此，該項目的研究對保證薄膜結構的正常使用和預防薄膜結構的工程事故有一定意義。本項目針對圓形和矩形薄膜結構，考慮其幾何非線性，運用馮•卡門大撓度理論和達朗貝爾原理分別按照無阻尼和有阻尼兩種情況建立了薄膜結構的自由振動和在集中、均布和隨機衝擊荷載作用下的受迫振動的控制方程組。選用直接積分法、L-P攝動法、KBM攝動法和能量法等求解了非線性偏微分控制方程組，得到了圓形和矩形薄膜結構動力回響的解析解；提出了圓形和矩形薄膜結構在集中、均布和隨機衝擊荷載作用下的試驗研究方法並進行了試驗，驗證並最佳化了理論研究所得的結論；進行了圓形和矩形薄膜結構在集中衝擊荷載和均勻衝擊荷載作用下的數值計算，同時進行了鞍形、傘形和傘形組合等薄膜結構在風荷載作用下的數值計算，與理論結果對比後驗證了理論方法的有效性，並進一步對影響薄膜結構動力回響的參數進行了分析。綜合以上研究成果，總結出建築薄膜結構在衝擊荷載作用下的動力回響的一般規律：(1)建築薄膜結構在集中衝擊荷載作用下的頻率隨預張力、振動階數和荷載的初始速度的增加而增大，其中頻率與預張力基本呈現線性關係，低階振型對總反應的貢獻大於高階振型。膜面振動的最大位移、振幅、速度和加速度隨荷載作用方向與膜面夾角、薄膜尺寸的對稱性和荷載的初速度的增加而增大。(2)建築薄膜結構在均布衝擊荷載作用下的動力回響規律類同於集中衝擊荷載作用下的反應規律。另外，薄膜結構的氣動穩定性受雙向跨度和矢跨比影響較大；薄膜結構的風壓值受矢跨比和形狀影響較大。(3)建築薄膜結構在隨機衝擊荷載作用下的瞬態回響占據主導部分，其回響值遠大於穩態均值；而且瞬態回響是一個窄帶過程，薄膜結構相當於一個窄帶濾波器，因此瞬態勢能均值要比穩態勢能均值大得多。(4)建築薄膜的張拉變形和動力回響規律與材料的正交異性密切相關。該項目的研究為薄膜結構的設計、施工和二次張拉提供了一些理論依據，為柔性結構在衝擊荷載作用下的動力回響研究提供了一種研究方法。
