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正交异性张拉膜结构非线性气动稳定性分析

作　者: 徐云平
导　师: 郑周练
学　校: 重庆大学
专　业: 土木工程
关键词: 张拉膜结构 正交异性 几何非线性 气动失稳 临界风速
分类号: TU311.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


张拉膜结构是最近几十年才兴起的一种应用十分广泛的具有造型优美、覆盖跨度大、经济性好和易于建造等优点的大跨度柔性空间结构。与传统结构相比,张拉膜结构具有自重小、结构跨度大、结构横向刚度与自振频率低等特点,这使得其对风荷载的作用非常敏感,极易在结构与流场之间出现耦合现象;当风速达到一定值时,结构可能发生较为明显的自激性振动失稳现象。目前,针对张拉膜结构气动失稳破坏的基础理论研究还较少,理论研究的滞后已影响到了工程实践。本文研究了平面与双曲抛物面两种结构形式的正交异性张拉膜结构在理想势流作用下的非线性气动稳定性问题。考虑到结构具有较强的几何非线性,运用薄膜大挠度理论和达朗贝尔原理,建立了张拉薄膜结构非线性振动控制方程组;结合流体力学势流理论和空气动力学薄翼型理论,根据流场在结构表面发生的流固分离情况,分别按对称翼型和弯度翼型研究了作用于薄膜结构表面的气动力;最后利用Bubnov-Galerkin法将气动耦合控制方程组转化为常系数二阶非线性微分方程并求出其周期解,通过对方程周期解的稳定性判断得到了结构的发散失稳临界风速。在考虑膜材几何非线性和正交异性的情况下,通过算例分析了张拉薄膜的结构形式、几何尺寸、几何非线性、正交异性、预张力、横、顺风向各阶模态以及风向等因素对其气动稳定性影响。研究表明:合理控制结构尺寸和预张力能有效提高结构气动稳定性;根据常遇风向合理布置膜材经、纬向能增强结构气动稳定性,降低失稳破坏的机率;不同跨度比结构在横、顺风向情况下其失稳方向和失稳模态也不尽相同。最后总结了正交异性张拉膜结构在理想势流作用下气动失稳的一般规律,为此类结构在工程设计和实践提供一定的理论参考。

全文目录


中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-17
  1.1 张拉薄膜结构的发展与应用  8-13
    1.1.1 张拉薄膜结构的发展与特点  8-9
    1.1.2 张拉薄膜结构的应用现状  9-13
  1.2 本文研究的背景及意义  13
  1.3 国内外研究现状  13-15
    1.3.1 国外研究现状  14-15
    1.3.2 国内研究现状  15
  1.4 本文的主要工作及解决的关键问题  15-17
    1.4.1 主要的研究工作  15-16
    1.4.2 研究目标  16
    1.4.3 拟解决的关键问题  16
    1.4.4 技术路线  16
    1.4.5 本文的特色  16-17
2 张拉膜结构气动耦合作用基本理论  17-30
  2.1 膜材弹性力学基本理论  17-22
    2.1.1 几何方程  17-20
    2.1.2 平衡方程  20
    2.1.3 物理方程  20-21
    2.1.4 应力函数  21-22
  2.2 不可压缩理想流体力学基本理论  22-26
    2.2.1 流体运动基本方程  23-24
    2.2.2 无旋流体运动基本方程  24-26
  2.3 膜结构气动力的确定  26-29
    2.3.1 扰动速度势函数的确定  27-28
    2.3.2 气动力的确定  28-29
  2.4 本章小结  29-30
3 平面张拉薄膜结构非线性气动稳定性分析  30-42
  3.1 控制方程  30-31
    3.1.1 结构模型及边界条件  30
    3.1.2 控制方程  30-31
  3.2 求解控制方程  31-41
    3.2.1 Bubnov-Galerkin 法  31-32
    3.2.2 方程求解  32-36
    3.2.3 算例及分析  36-41
  3.3 本章小结  41-42
4 双曲抛物面张拉薄膜结构拱向非线性气动稳定性分析  42-54
  4.1 控制方程和边界条件  42-43
    4.1.1 控制方程  42
    4.1.2 结构形式及边界条件  42-43
  4.2 求解控制方程  43-52
    4.2.1 方程求解  43-47
    4.2.2 算例及分析  47-52
  4.3 本章小结  52-54
5 双曲抛物面张拉薄膜结构垂向非线性气动稳定性分析  54-71
  5.1 控制方程和边界条件  54
  5.2 求解控制方程  54-66
    5.2.1 方程求解  54-60
    5.2.2 算例及分析  60-66
  5.3 结构拱向和垂向总体稳定性算例  66-70
  5.4 本章小结  70-71
6 结论与展望  71-75
  6.1 结论  71-73
  6.2 展望  73-75
致谢  75-76
参考文献  76-79
附录  79-93
  A. 平面结构模型发散失稳临界风速计算程序  79-83
  B. 双曲抛物面结构模型拱向发散失稳临界风速计算程序  83-87
  C. 双曲抛物面结构模型拱向发散失稳临界风速计算程序  87-92
  D. 作者在攻读学位期间的工作情况  92-93

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑结构 > 结构理论、计算 > 结构力学 > 结构动力学
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