基于ANSYS的恒张力薄膜外载荷作用下变形分析

1、46第36卷第16期西建筑 Vol.36No.16 山2010年6月Jun. 2010SHANXI ARCHITECTURE文章编号:1009 6825(2010)16 0046 02基于ANSYS的恒张力薄膜外载荷作用下变形分析刘 晓 易传云摘 要:使用APDL语言建立了恒张力薄膜参数化分析命令流,借助ANSYS优化模块,通过迭代方法,找到了满足模型误差要求的参数值,实现了恒张力薄膜的变形分析,对于实际工程设计参数的校核与优化有一定的参考价值。关键词:恒张力,薄膜,分析方法,非线性有限元法,变形问题中图分类号:TU312文献标识码:A薄膜材料质量轻、柔性好,在一定预紧力作用下能够抵抗外1载。

2、平面薄膜结构简单,便于张紧和控制,广泛用于建筑、工业等诸多领域之中。对于固定边界的薄膜长期使用后容易产生徐变,常需要二次张紧才能保证工作性能2。一些自动化控制的场合常对薄膜采用恒张力控制,这样既能一直保持薄膜张力,又能控制其在外载荷作用下的变形量,特别适合空间有限或装置不便拆装的情况。矩形薄膜是平面薄膜结构中最为常见的形式,对于受载简单的固定边界矩形薄膜可直接推导变形公式。文献3通过建立薄膜变形后的微分方程及应力与应变之间的关系,求出了受横向均布载荷矩形薄膜的变形方程;文献4采用能量法求得了矩形薄膜在压力载荷作用下的近似解。但是对于带有自由边或非完全约束边界的薄膜结构,如恒张力薄膜,边界条件不

3、能确定,方程难以求解。本文借助ANSYS软件,采用非线性有限元法2来分析恒张力薄膜的变形问题。要完成分析,薄膜初始长度还需要确定的量,可不断改变薄膜初始模型来反复分析,直到找到满足精度要求的初始参数值。这显然比较麻烦,且具有一定的盲目性。如果能通过程序自动完成模型参数更新和迭代计算,则可方便的解决此问题。ANSYS软件提供参数化的编程语言,可方便的实现用户的二次开发。膜法向投影面积,由于薄膜侧向变形很小,可认为A保持不变,则Fz可求。不计薄膜自重,由薄膜对称性可得两端支反力,再由勾股定理可得张力竖直方向的分力。1 恒张力薄膜模型及分析方法恒张力薄膜受到外载荷作用时,通过卷筒收、放卷来维持恒定的

4、张力。如图1所示:其中虚线部分表示卷筒,工作状态时,薄2 算例恒张力薄膜模型如图1所示:AB端固定,CD端张力控制,膜AB端固定,CD端与卷筒连接,并做恒张力控制。如果建立薄长度均为5m;AD,BC为自由边,长度均为6m。张力大小为膜与卷筒的膜 实体接触模型,模型复杂,计算量大,难以收敛。700N/m,张拉刚度E=300kN/m,薄膜厚度为0.001m,泊松比卷筒刚度很大,可忽略其变形,因此可以将薄膜单独作为分析对象。由于卷筒直径很小,如果不记薄膜与卷筒接触位置的变化,此时可以将其看作是平面薄膜结构的一种特例。忽略CD边上的紧缩,限制除竖直方向的5个自由度,并耦合各结点位置5。这样恒张力薄膜可

5、以看作是一初始长度未知的矩形薄膜,一端固定,一端受恒定的张紧力,薄膜受外载变形后两端距离应等于AD。当薄膜处于平衡状态时,AB,CD两端法向支反力与外载法向分力平衡。以压力载荷为例,法向合力Fz=PA。其中,A为薄到之后,具体时间应选择在气温相对为最低时;3)后浇带的填筑材料应选择微膨胀混凝土。参考文献:v=0.3,膜面均压P=100Pa。2.1 分析过程利用ANSYS软件分析薄膜结构包括找形及载荷分析等过程。对于平面薄膜找形过程较为简单,找形后膜内产生应力,相当于刚化的过程。本文借助ANSYS优化模块,以薄膜初始长度a为设计变量,变形后张力控制边的位移t为状态变量,模型长度的绝对误差值f作为

6、目标函数,通过迭代优化来求取目标函数的最小值。具体分析过程如下:1 李富民.钢筋混凝土框架结构伸缩缝间距计算J.中国矿业大学学报,2005(5):22 24.2 曾 燕.伸缩缝间距设置的讨论J.建筑结构,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作者简介:刘 晓(1985 ),男,华中科技大

8、学硕士研究生,湖北武汉 430074易传云(1959 ),男,教授,华中科技大学,湖北武汉 430074第36卷第16期 刘 晓等:基于ANSYS的恒张力薄膜外载荷作用下变形分析2010年6月47 1)APDL参数化建模。建立薄膜模型为5#a,并赋a初值为6。2)选择Shell41单元,只计拉力作用,划分网格为三角单元,完成约束设置和加载6。为保证整个计算过程的收敛,设置力收敛准则为0.04,平衡迭代次数为30,选用大变形理论,完成初次找形和载荷分析。薄膜变形结果如图2所示。3)提取张力控制边的位移值t,即节点Y向最大位移值。建min(f)立恒张力薄膜迭代求解的数学模型:f=ABS(a-t-6

9、)。0t0.5长度方向的位移在工程中一般无重大影响,其上限不能超过薄膜最大放卷长度。法向位移受到张力和外载等的共同影响,张力越大、外载越小,则法向位移越小。外载荷一定时,通过改变张力大小可以控制薄膜的法向变形量。以算例模型为例,保持外载荷不变,改变张力大小,得到不同张力下法向最大位移值,见图6。薄膜自重相对于张力和外载荷很小,重力对薄膜变形分布的影响很小。一般工程应用忽略薄膜重力是可以保证计算精度要求的。6a6.54)求取目标函数,将以上命令流生成宏命令7。5)按照数学模型编制迭代命令,选择一阶优化方法,设置各参数收敛精度。调用先前生成的宏命令,执行迭代程序。迭代优化过程就是寻求目标函数的最小

10、值,即寻找模型误差最小时设计变量的值。迭代运算结果见表1。其中参数结果根据输出格式要求,已四舍五入,实际计算精度要比表1中所示的数据更高一些。表1 迭代序列迭代次数1设计变量a6.0000006.185216状态变量t0.1735280.185217目标函数f0.1735280.1E-056)生成分析结果。由表1知,一次迭代运算之后,目标函数值已能够满足计算精度。保留参数值,生成分析结果,此时薄膜三个方向上的位移云图分别见图3图5。3 结语使用APDL语言建立了恒张力薄膜参数化分析命令流,借助ANSYS优化模块,通过迭代方法,找到了满足模型误差要求的参数值,实现了恒张力薄膜的变形分析。分析参数

11、调整方便,对于实际工程,特别是工程设计之初设计参数的校核与优化,有一定参考价值。参考文献:1 阎春平,李志军,刘 飞.ANSYS的索膜结构找形系统研究J.重庆建筑大学学报,2008,30(6):86 89.2 唐 喜.基于ANSYS参数化语言的索膜结构找形优化和荷载分析D.南京:河海大学硕士论文,2002.3 刘开国.板式膜结构的分析J.空间结构,2005,11(2):39 41.4 黄 炎,杨瑞生.平面薄膜在内压作用下的大变形分析J.湖南大学学报,2000,27(3):14 18.2.2 结果分析薄膜侧向变形量很小,且由于张力恒定,外载变化对其影响不大。如算例分析结果,提取节点法向合力为29

12、93.1N,可算得薄膜变形后法向投影面积为29.931m2,而初始面积为30m2,可见受力分析时近似认为法向投影面积不变是可以的。恒张力薄膜5 熊开春.基于实验模型的机械 织物系统若干性能研究D.上海:东华大学硕士论文,2007.6 王富耻,张朝晖.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用M.北京:电子工业出版社,2006.7 龚曙光,黄云清.有限元分析与ANSYSAPDL编程及高级应用M.北京:机械工业出版社,2009.AdeformationanalysisonANSYS basedconstanttensionfilmdeformationunderexternalloadLIUXiao YIChuan yunAbstract:UsingAPDLlanguagetocreateaconstanttensionfilmparametricanalysiscommandstream,usingANSYSoptimizationmodule,throughtheiterativemethod,thisstudyfoundparameterstomeettherequirementsofmodelerror,andachievedaconstanttensionfilm