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有限元线法(FEMOL)是以常微分方程(ODE)求解器(本文选用COLSYS)为支撑软件的半解析法。借助FEMOL曲面的高度连续光滑性以及COLSYS求解非线性问题的方便有效性,预期将FEMOL用于膜结构分析会显示出特有的优势和特色。本文首次尝试用FEMOL对膜结构进行分析,主要工作如下:
一、用FEMOL建立了膜曲面的几何表达。为了实现空间任意曲面的FEMOL网格剖分,本文除了曲面四边形单元外,还构造了三角形单元。采用了一定的插值技巧来提高曲面坐标和微分几何量的高阶导数的精度,得到的曲面在结线方向不仅光滑而且具有高阶连续性,充分体现了半解析法的优势。
二、用FEMOL对旋转膜进行了分析。包括旋转膜初始无应力态形状确定以及使用荷载阶段分析。初始无应力态形状确定为剪裁分析中的应力释放提供一条新的分析途经。分析中几何方程采用Euler描述法,并采用了ODE转换技巧以得到标准的ODE体系。在使用荷载阶段分析,预应力不是简单地叠加到新位形上,而是考虑了预应力与变形之间的相互作用对新位形平衡的影响。
三、用FEMOL进行了膜结构的找形分析。包括三部分:
(1)等应力旋转膜的找形分析。为了克服曲线形状与参数选取关系不唯一、方程不独立的问题,提出了一种限定曲线参数映射的方法,得到相互独立的非线性ODE体系。
(2)一般形状等应力膜曲面的找形分析。以结线坐标函数为未知量,从曲面面积泛函着手分析。针对曲面形状与参数选取关系不唯一、导出的非线性ODE不独立的问题,提出一种双向限定曲面参数映射的方法,得到相互独立的非线性ODE体系。
(3)非等应力的膜曲面的找形分析。和等应力膜曲面找形分析类似,只是这里不是从面积泛函出发,而是从势能泛函的变分入手。当给定的曲面边界相同时,对于不同的应力分布,可以得到不同的曲面。
理论分析和大量的数值算例表明,用FEMOL进行膜结构的分析具有不少优势,很稀疏的网格划分就能得到精度好、连续性强、光滑度高的结果;求解非线性问题时,对初始解的要求比较宽松,收敛速度快。本文研究表明,对于膜结构分析,有限元线法是一种有竞争力的半解析法。