(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202210935571.9 (22)申请日 2022.08.05 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 115221593 A (43)申请公布日 2022.10.21 (73)专利权人 北京工业大 学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园10 0号 (72)发明人 孙国军　朱旭　吴金志　胡洁　 (74)专利代理 机构 北京中知星原知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11868 专利代理师 艾变开 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01)G06F 119/14(2020.01) 审查员 刘晨曦 (54)发明名称 定长索作为边界条件的膜结构成形态与荷 载态分析方法 (57)摘要 本发明涉及一种定长索作为边界条件的膜 结构成形态与荷载态分析方法， 包括： 建立以定 长索作为膜结构边界条件的索结构有限元模型； 建立两个相同的膜单元， 一个为小弹性模量， 一 个为真实弹性模量； 进行索结构的找形分析， 冻 结真实弹性模量膜单元， 进行第一次静力平衡求 解； 在第一次静力平衡求解基础上， 激活真实弹 性模量膜单元， 冻结小弹性模量膜单元， 进行二 次静力平衡求解， 获得包括满足目标应力设定且 真实弹性模量的膜单元的整体结构 模型； 后续荷 载态可在上述模 型基础上进行求解计算。 该方法 能达到以定长索作为边界条件的膜结构成形态 与荷载态精准分析， 且操作简单、 快速、 高效的目 的， 为索膜结构成形态找形与荷载态分析提供新 思路。 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 CN 115221593 B 2022.12.09 CN 115221593 B 1.一种定长索作为边界条件的膜结构成形态与荷载态分析方法， 其特征在于， 包括以 下步骤： 建立以定 长索作为结构 构件的索结构有限元模型， 将索结构作为膜结构的边界条件； 建立膜结构有限元模型， 在相同节点处建立两个相同的膜单元， 并且其中一个设定为 小弹性模量， 另一个设定为真实弹性模量， 并将两种弹性模量的膜单元 的初始预应力 设定 为目标预应力； 进行膜结构找形分析， 激活小弹性模量膜单元并冻结真实弹性模量膜单元， 进行第一 次静力平衡求解， 确定膜结构形态； 所述第一次静力平衡求解考虑材料各向异 性、 几何非线 性； 在第一次静力平衡求解的基础上， 激活真实弹性模量膜单元并冻结小弹性模量膜单 元， 进行第二次静力平衡求解， 得到包括满足目标预应力 设定且真实弹性模量膜单元 的整 体结构模型； 所述第二次静力平衡求 解考虑材料各向异性、 几何非线性、 材 料非线性； 在整体结构模型基础上进行荷载态的分析计算。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 定 长索边界设定为弹性约束。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 定长索边界连接在钢构件、 混凝土构件、 钢 筋混凝土构件或木构件上。 4.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 定长索为张拉整体式边索， 或者复杂索网 结构。 5.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 索单元采用只拉杆单元， 膜单元采用只拉 面单元。 6.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 小弹性模量是真实弹性模量的1/10000～ 1/100000。 7.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所建立的膜单元的经纬向应当与实际工程 一致， 若某些单元 的经纬向难以调整到与实际一致， 则 建立与施工时膜材经纬向一致的单 元坐标系， 并将此坐标系赋予成为该 单元的单元坐标系。 8.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 两个相同的膜单元采用相同的单元网格划 分和相同的节点。 9.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 进行荷载态的分析计算时， 荷载施加在真 实弹性模量膜单 元上。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115221593 B 2定长索作 为边界条件的膜结构成形 态与荷载态分析方 法 技术领域 [0001]本发明涉及复杂索网膜结构的成形态找形与荷载态分析技术领域， 特别是涉及一 种定长索作为 边界条件的膜结构成形态与荷载态分析 方法。 背景技术 [0002]随着社会的发展， 人们对公共活动空间例如大型的展览馆、 体育场馆、 机场、 火车 站等需求越来越大； 同时， 随着大众的审美水平不断的提高， 对建筑的美观、 外形等要求也 在不断的增加； 膜结构以其丰富的色彩， 轻盈的结构形式， 美观的造型也越来越受大众欢 迎。 这些现象极大 的促进了膜结构的不断创新。 不仅是在安全、 经济方面的创新， 更重要的 是在造型方面的创新， 满足人们不断更新的审美需求， 由于薄膜材料性能的不断提高和建 造技术的改进， 使膜结构在世界范围内日趋繁荣。 各国应用膜结构建造了一批造型优美别 致的大跨度体育场馆、 展览馆、 航空港等标志 性建筑， 我国更是处于膜结构建筑增长的最前 列。 [0003]目前的膜结构设计一般可分为总体概念设计、 初始形态设计、 荷载分析和裁剪设 计4个阶段。 其中， 初始形态设计是膜结构设计中的关键技术问题， 迄今对这一问题的研究 一直是膜结构研究中的焦点。 [0004]当索边界固定约束， 基于非线性有限元的初始形态分析方法， 是将索膜构件的初 始预张力的分布状态作为已知数， 而把与之对应的平衡的形状作为未知数来求解， 通常取 很小的弹性模量或干脆忽略掉材料本构关系而取弹性模量为零， 以让索膜构件在不平衡的 预张力作用下能够自由变形， 通过迭代计算， 最后得到平衡的初始形态， 进而确定索膜构件 无应力尺寸， 此时柔性索边界也伴随相应的找形找力过程， 最终更新坐标， 恢复真实弹性模 量， 即可获得成形态与荷载态计算模型。 [0005]但当针对定长索边界为弹性约束时， 无法采用更新坐标和恢复模量方法实现这种 膜结构成形态与荷载态分析； 另外， 对已有的索膜结构， 当膜结构发生破损， 需要更换膜结 构时候， 索边界无应力长度已经确定， 膜结构膜材料又无法实现完全与之前膜材料力学性 能相同， 且索边界一般也为 弹性约束， 非完全固定约束， 现有的方法都不能实现这种以定长 索作为边界条件的膜结构成形态与荷载态分析。 发明内容 [0006]为解决上述问题， 本发明的目的是提供一种定长索作为边界条件的膜结构成形态 与荷载态分析方法， 本方法可广泛应用于大跨度复杂索结构 中膜结构成形态找形分析， 这 种方法能使成形态膜预应力均匀且结构位形满足要求， 且操作简单、 快速、 高效， 为这种定 长索边界为弹性约束， 非完全固定约束的索膜结构成形态 找形与荷载态分析提供新思路。 [0007]本发明是这样实现的： [0008]一种定长索作为 边界条件的膜结构成形态与荷载态分析 方法， 包括以下步骤： [0009]建立以定长索作为结构构件的索结构有限元模型， 将索结构作为膜结构的边界条说　明　书 1/6 页 3 CN 115221593 B 3