[01366110]新型索膜结构的分析理论、设计关键技术及应用

“新型索膜结构的分析理论、设计关键技术及应用”由上海交通大学从2001年开始基础理论和应用基础技术研究，先后承担了5项国家自然科学基金和其它科研课题。于2006年联合上海太阳膜结构有限公司开展大型索膜结构工程的设计技术与应用研究，历时10年。　　根据索膜柔性张力结构的全生命周期分析，预应力是其核心、关键基础。通过建立完善的预应力分析理论、设计方法、施工方法，可保障预应力精确、形态合理，进而提高结构性能、提高抗风能力。　　研究成果和创新主要体现在以下方面：　　首先提出了柔性张力结构体系全过程分析的状态、参数与数理模型，阐明了状态间的物理、数理逻辑，完善了索膜结构分析理论，构建了索网、张拉膜、充气膜的全过程分析模型；柔性张力结构的零应力态是结构计算分析的基础，建立了基于广义逆的逆向非线性迭代法，从找形平衡形态弹性化后逆向解析求出零应力态；预应力是柔性张力结构体系维持形态和刚度的关键，零应力态体系为非几何稳定的机构态，基于能量原理，引入可行自应力模态的初始应力小量假设，以索元无应力长度为基准，建立了预应力导入计算方法，由边界点移动或附加牵引索的长度变化实现；张拉成形过程是一个机构运动和弹性变形强耦合的非线性运动过程，建立了基于动力松弛法与抛物线模拟索元的正向张拉成形分析方法、基于广义逆与悬链线索单元的正向张拉成形分析理论、基于五节点索元和温度模拟索长变化的非线性有限元逆向张拉成形分析方法；找力分析是找形的逆分析，提出了基于线性调整理论的找力分析方法，以节点不平衡力残差平方和最小为极值条件；针对复杂工程问题，提出了基于找力分析的找形分析方法、基于力密度法的一致协同找形分析方法、基于单元生死技术的协同找形分析方法、非线性力密度找形分析方法、考虑重力效应的找形分析方法，解决了大型工程的关键设计分析问题；索膜结构存在复杂的接触现象，索－膜、钢构－膜接触对是典型的膜接触问题，其对索膜结构受力有重要影响，建立了基于神经网络法的膜接触分析方法；索膜结构形体复杂，是风敏感结构，建立了有效的数值风洞模拟方法，探究了流固耦合机理、附加质量与湿模态，研究了风振分析方法、风振特征；根据钢索制作误差，建立了索长正态分布、极值分布误差概率模型，通过随机方法确定索长无应力长度，通过预应力分析评价其影响，为索网体系制作和安装提供依据。　　建立了索膜结构完善的设计技术体系，从选型、选材、设计、分析、制作，被行业界广泛接受；通过大量的膜材系列试验，形成了膜材参数库，为膜材设计强度取值及工程应用提供依据；研制了新型多功能双轴拉伸膜材试验机，可完成日本和德国膜结构规程建议双轴拉伸试验，以及进行膜材本构、撕裂、徐变、应变补偿等试验；针对世博轴超大型索膜结构，研究了大面积双层膜补强技术，解决了其协同受力、制作工艺、设计强度取值的关键设计问题；单层膜材热阻值小，通过双层膜、三层膜以及增加半透明保温玻璃棉，从而实现膜结构的节能指标；研究了系列新型膜材的力学性能及设计技术，包括ePTFE膜、网格膜、Kapton、Vectra薄膜等；研究开发了系列的膜细部设计技术，定制膜节点铝合金型材连接件；建立了先进的CAM制造技术、数控裁剪，膜裁片精密加工；不同于普通膜拉紧器，采用螺杆丝杠与千斤顶结合实现高膜面张力，且控制精确。　　“新型索膜结构的分析理论、设计关键技术及应用”研究成果广泛应用于国内外大型索膜结构工程，取得了巨大的经济效益和社会效益，包括2010年上海世博会的世博轴、挪威馆、德国馆，2010年广州亚运会海心沙看台，2011年大运会的宝安体育场，以及佛山游泳馆、章丘体育馆、惠州体育中心、中国航海博物馆、新加坡SICC等，并在研制飞艇、薄膜天线等特殊新型索膜结构应用。