充气膜结构的受力分析

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充气膜结构简介

充气结构
造型分类
根据被约束气体压力的大小：可以分为低压充气结构和高压充气结构。它们在内压、结构功能、支承类型等方面都有所不同。低压充气结构内压为100~1000N/m2，而高压充气结构内压高达 10000~70000 N/m2。通常单气膜是低压的，而双气膜可以是高压，也可是低压。高压体系的充气结构一般都是由管状构件组成，在一个方向上为弧形曲率，而在另一个方向曲率很小，或为零。管状构件还可以承受垂直膜面作用外力，如同梁、拱的作用，其在承受较大的外力时只有通过较高的内压平衡。但是高压体系会发生膜内气体渗透现象。
实例分析
5.国家游泳中心（水立方）
体积：177m ×177m ×30m
水立方首次采用的ETFE（聚氟乙烯）膜材料，透光性好同时具有一定的防火性能。它是根据细胞排列形式和肥皂泡天然结构设计而成的，这种形态在建筑结构中从来没有出现过，创意十分奇特，它的膜结构是世界之最。
实例分析
6.1970年大阪世博会美国馆
广岛巨浪馆
充气结构
结构类型
充气结构主要有气承式和气囊式两种结构形式： ①气承式结构是直接用单层薄膜作为屋面和外墙，将周边锚固在圈梁或地梁上，充气后形成圆筒状、球状或其他形状的建筑物。室内气压为室外气压的1.001～1.003倍。人和物通过气锁出入口进出。为减小薄膜拉力、增大结构跨度，气承式结构薄膜上面可设置钢索网。 ②气囊式结构是将空气充入由薄膜制成的气囊，形成柱、梁、拱、板、壳等基本构件，再将这些构件连接组合而成的建筑物。气囊中的气压为室外气压的2～7倍，故是一种高压体系。
充气结构
造型分类
在造型设计过程中，为了产生复杂多样的空间造型，必须关注不同造型之间的边界形状即其连接部分的曲面拟合。造型表面必须满足一些基本条件：封闭，有向，有界和连接。只有封闭表面才能保证平面立体的拓扑关系成立。而且造型还要满足一定的结构刚性，以满足承受一定外荷载的要求。

充气膜结构全过程分析和造型技术研究

3、后期维护
3、后期维护
后期维护阶段主要包括日常检查、定期检修和应急处理等工作。日常检查包括对充气膜结构的外观、气压、连接件等进行检查，及时发现并解决问题；定期检修包括对充气膜结构的膜材、设备、附件等进行检查和维修，确保结构的正常使用；应急处理包括应对突发的自然灾害、人为破坏等情况，确保充气膜结构的完整性和安全性。
充气膜结构概述
充气膜结构概述
充气膜结构是一种由薄膜材料和气体压力共同作用形成的结构形式。与传统的刚性结构不同，充气膜结构通过充入空气或其他气体，使膜材受压产生张力，从而形成具有一定刚度和稳定性的空间结构。这种结构具有自重轻、跨度大、施工速度快、成本低廉等优点，被广泛应用于临时建筑、体育场馆、环保设施等领域。
结论
在未来的研究和应用中，可以进一步探索充气膜结构的优化设计和新型造型技术，以满足更多的功能需求和审美需求，推动充气膜结构的发展和应用。
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2、设计原则
2、设计原则
（1）功能性原则：充气膜结构的设计应首先考虑其功能需求，包括承受载荷、满足空间需求等。同时，还需考虑结构的安全性、可靠性和耐整体美观性和与周围环境的协调性，通过形态、色彩和肌理等手段创造具有吸引力和独特性的视觉效果。
充气膜结构全过程分析和造型技术研究
01 引言
03 全过程分析 05 结论
目录
02 充气膜结构概述 04 造型技术
引言
引言
充气膜结构是一种以气体为支撑，利用膜材的张力形成具有一定刚度和稳定性的空间结构。由于其具有自重轻、跨度大、施工速度快、成本低廉等优点，充气膜结构在许多领域都得到了广泛应用。本次演示将重点充气膜结构的全过程分析和造型技术研究。
2、设计原则

充气膜结构简介PPT课件

充气结构
造型分类
根据被约束气体的压力性质，又可以把充气结构分为负压体系和正压体系。简单区分就是膜内气压若低于大气压则为负压体系，反之，则为正压体系。负压体系空间造型的外廓线为凹曲面形，凹曲面造型充气结构属于低压体系，原因是膜材的应力一般都不大，而极小的压差会在膜面引起足够的膜面应力，容易获得要求的凹曲面造型。但凹曲面造型会引起积雪和积水等可能造成的问题，并因风荷载可能会引起形状不稳定。而正压体系空间造型的外廓线为凸曲面形，其结构内部气压应高于周围结构外部的大气压。凸曲面造型充气结构既有低压体系，又有高压体系。因而凸曲面造型充气结构膜材的应力变化较大，在凸曲面充气结构造型设计时首先要确定是低压体系还是高压体系，以确定选用的膜材。
Chapter
充气结构
充气膜结构在索穹顶体系出现之前，创造了段大跨建筑的辉煌发展史。
充气结构
简介
充气结构，又名"充气膜结构",是指在以高分子材料制成的薄膜制品中充入空气后而形成房
屋的结构。充气式充气结构结构又可分为气承式膜结构和气胀式膜结构（或叫气肋式膜结
构）。
气承式膜结构（索膜结构）是通过压力控制系统向建筑物内充气，使室
材料
薄膜材料主要有玻璃纤维布、塑料薄膜、金属编织物等，其中用得最多的是玻璃纤维布，其表面可涂聚四氟乙烯等类涂料，以增加耐久性和防火性。薄膜材料的接缝可采用熔接、粘接和缝合等三种形式。
充气结构
建筑的空间造型设计中，可以充分利用符合力学原理的建筑造型来增强建筑艺术表现力。这就是通过结构件变形来表现出的整体结构形式，完全不需要任何媒介而呈现空间造型，简洁、流畅、自然。充气结构就是这样造型别致、变化无穷的结构形式。一片只能承受拉力的柔性薄膜在受到有压差的气体作用时，呈现出充气的形状，它朝着气体密度低的方向变形，直到位移和形状趋于稳定。充气加压后的薄膜能够承受一定的外力，根据这一基本原理，可利用薄膜和受约束的气体共同构成的一种充气结构体。充气结构是通过压差保持稳定的结构类型，对所采用的充气结构的稳定性或承重构件作出正确的分析，就必须对其造型规律进行基本的研究。

充气膜结构的研究进展

充气膜结构的研究进展提要：本文从充气膜结构的结构设计原理入手，综述了其形态分析、荷载分析、剪裁分析等方面的研究现状与发展方向。

关键字：充气膜结构;形态分析;荷载分析;剪裁分析充气膜结构是以性能优良的薄膜为材料，通过向薄膜构成的密闭空间内充气，利用空气压力支撑膜面，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。

由于膜材所特有的非线性力学特点以及膜结构整体所表现的柔性、张力与形态的统一性，其结构设计原理显著区别于传统结构，属于大形变条件下应变和应力问题[1]。

主要包括四个阶段：方案设计、形态分析、荷载分析、剪裁分析。

其中，找形分析是基础，荷载分析是关键，剪裁分析是目标和归宿。

有关充气膜结构的主要研究工作也就集中在这三者之上[2-4]。

1形态分析又称找形分析、找形，目的是寻找满足边界条件和初应力平衡条件的结构形状。

初始平衡态的寻找是形态分析的关键，力密度法、动力松弛法和非线性有限元法是索膜结构初始形态分析的主要方法。

其中，非线性有限元法在我国相关领域内应用最为广泛。

陆鉴恒等人[5]针对膜结构找形中最小曲面的确定问题，采用动力松弛法，对迭代参数进行分析和简化，使迭代参数的简化只跟时间步长有关。

从算例数据可得出，在收敛范围内，迭代次数n随着迭代步时间步Δt的增加大体呈先减少再增加的趋势，最小值在T/4附近。

并发现：a.动态阻尼动力松弛法的两个参数是相互联系的，跟每一时间步质点对应的周期有关；b.参数的取值：虚拟质量为任意常数，时间步长与对应时刻的质点周期对应，取值范围为(0，T/π)，建议取T/4左右；c.此方法简化了参数的选择，明确了参数选择的物理意义。

简化虽然增加了迭代的次数，但是在可接受的范围内，且误差比较说明提出的方法计算精度高，结果可靠，值得尝试和进一步研究改进。

东南大学的周树路等人[6] 则针对力密度法的找形过程进行改进，避开其中“力密度”的概念，直接引入膜面应力和索拉力作为初始条件，以节点不平衡力作为控制误差，避免了传统力密度法需要反复试算力密度取值的弊端，使找形计算过程简洁高效。

充气结构材料的性能与应用

充气结构材料的性能与应用随着科技的不断进步，人类对于轻量化建筑结构的需求越来越高。

而充气结构材料就是一种非常适合轻量化建筑的材料。

本文将从材料性能和应用角度探讨充气结构材料的独特之处。

一、材料性能1. 轻量化相比于传统的建筑材料，充气结构材料的最大特点就是轻量化。

因为它是在一个充气的膜内建造的，所以整个结构重量非常轻。

这也使得充气结构材料在建筑、广告以及旅游等领域得到了越来越广泛的应用。

2. 弹性、抗压性强充气结构材料不但具有很好的弹性，而且具有出众的抗压性能。

这使得它能很好地承受外界压力，不会生成损伤和变形。

因此，它不仅可以用于建筑和广告上，还能广泛应用在军事、医疗等领域。

3. 维护简单充气结构材料的维护非常简单，本身具有防水、防潮、防沙尘等特点，所以不需要太多的维护工作。

只需要定期清洗、检查一下是否有磨损、划痕即可。

维护简单不仅可以减少工作量，还能降低维修成本。

4. 耐用性与传统材料相比，充气结构材料可以再开放空间环境中长期使用。

它不容易变形，耐久性强，因此非常适合户外使用。

此外，它还可以抵御紫外线、温度差异、化学腐蚀等因素带来的损害和变形。

二、应用1. 建筑领域在建筑领域，充气材料被广泛应用于场馆、展馆、展览馆、军事基地等建筑的建造中。

因为它不仅有很好的防火性、抗震性，而且运用起来很方便，不需要太多的施工时间和人力。

此外，充气结构材料的轻量化特点也使得它可以轻松地搬运和安装。

2. 广告行业在广告行业，充气结构材料也非常流行。

充气气球、充气拱门、充气广告牌等最具代表性的应用形式。

因为它们可以轻松地吸引人们的注意力，使广告更容易被消费者注意到和接受。

3. 旅游行业在旅游业中，充气结构材料的运用也日益增多。

充气帐篷、充气游戏设备、充气弹力床等，这些设施的主要特点就是安全、易于搬运和方便使用。

它们不但可以丰富游客的休闲娱乐，而且也可以提高旅游景区的环境质量和人流量。

总之，充气结构材料是一种轻量化、方便、易于运用、维护简单且性能稳定的材料。

拱形充气结构承载特性分析

ｓｕｒｆａｃｅｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｗｉｔｈＦＬＵＥＮＴ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｈａｎｇａｒｗａｓｍｏｓｔｅａｓｉｌｙｃｏｌｌａｐｓｉｂｌｅｗｈｅｎｔｈｅｗｉｎｄｗａｒｄａｎｇｌｅｗａｓ６０。，ｉｍｐｏｒｔｔｈｅ
ｓｕｒｆａｃｅｗｉｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｔｏＡＢＡＱＵＳａｎａｌｙｚｅｒ。Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅｓｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｈａｎｇａｒｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｕｎｄｅｒｔｈｅｗｉｎｄｏｆｌｅｖｅｌｔｅｎ．
建筑与结构设计ｌ
Ａｒｃｈｌｔｅｃｔｕｒａｌｍｄｎ１ｗ
ＢｅａｒｉｎｇＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＡｒｃｈｅｄＩｎｆｌａｔａｂｌｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ
王中成，马云鹏
（北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京１００１９１）
随着膜结构的发展，欧美等军事强国已将充气结构技术
气结构具有成型时间短，建设成本低、结构质量轻等优势［２１，近广泛应用于军事领域，充气机库的出现为飞机提供了机动保
年来逐步受到世界各国的普遍关注。
障，降低了飞机维修的成本。充气机库对风载作用十分敏感，
本文首先对大跨度气肋式拱形结构组成的模块进行雪载对充气机库的风载特分析具有实际的工程意义［３１。试验，得到该结构在不同内压下的承载极限。然后对模型的不２．１ＯＦＤ仿真计算
ＷＡＮＧＺｈｏｎｇ—ｃｈｅｎｇ，ＭＡＹｕｎ－ｐｅｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｈａｎｇＵｉｎｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）

压差和重力对充气膜结构变形的影响

沈克利等：压差和重力对充气膜结构变形的影响
３１
圈
沈克利，陈永霖，徐
（上海交通大学空间结构研究中心。上海
ＤＯＩ￣１０．１３９０５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｄｗｊｚ．２０１５．０５．０１２
文
２００２４０）
【文献标识码】Ａ
【文章编号】１００１ — ６８６４（２０１５）０５ — ００３１ — ０４
ＩＮＦＬＵＥＮＣＩＮＧｏＦＰＲＥＳＳＵＲＥＡＮＤＧＲＡＶＩＴＹｏＦＴＨＥＤＥＦｏＲＩＡＴＩｏＮｏＦ
ｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｓｅｃｔｉｏｎｉｎｃｒｅａｓｅｌｉｎｅａｒｗｉｔｈｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｂｕｔｉｔｗａｓｎｏｔｔｈｅｓａｍｅｗｉｔｈｔｈｅｌｅｎｇｔｈ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，
压差和重力对充气膜结构变形的影响
【摘
要】为研究压差和重力荷载变化下充气膜结构变形的状态与特征，用数值方法对飞艇充气囊体这一
典型的充气膜结构在不同压差和重力下的变形进行了数值分析。分析结果表明：囊体最大截面变形随压差的增大而线性增大，囊体长度随压差增大呈非线性减小；重力荷载作用使囊体向ｙ向移动，对ｚ向位移分布无明显影
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｅｘｐｌｉｃｉｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｐｎｅｕｍａｔｉｃｍｅｍｂｒａｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｄｉｆｆｅｒｃｎｔｐｒｅｓ — ｓｕｒｅａｎｄｇｒａｖｉｔｙ，ｎｕｍｅｉｃｒａｌｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｉｎａｎａｌｙｓｉｎｇｔｈｅｄｅｆｏｍａｒｔｉｏｎｏｆａｋｉｎｄｏｆａｉｒｓｈｉｐｅｎｖｅｌｏｐｅ，

基于风压系数简化模型的圆柱形充气膜结构有限元分析

基于风压系数简化模型的圆柱形充气膜结构有限元分析*摘要：为分析风荷载作用下圆柱形充气膜结构的受力性能，对风入射角、膜内外压之比、矢跨比等主要影响因素进行有限元分析。

基于水平、竖向合力等效的原则，对该类充气膜结构风压系数试验资料进行分析，提出了几种常见情形下风压系数分布简化模型；利用该分布模型，通过模拟试验分析了上述因素对某工程结构控制位置处的位移和应力的影响。

结果表明：借助风压系数简化模型的有限元分析结果与试验结果吻合较好；极限入射方向角为60°时，对气膜结构产生的位移、应力最大；内外压之比越小，风压作用越明显；充气膜结构越柔，对其产生的位移、应力越大；矢跨比越大，气膜结构上的最大位移和最大应力越大，同时最小应力也越小，导致结构越容易因局部膜材出现皱褶而发生失稳破坏。

关键词：矢跨比；入射角；内外压之比；风压系数；最大位移值1 概述充气膜结构作为较早出现的一种薄膜结构形式，是在高分子复合膜材形成的密闭空间中注入空气并保持一定的室内外压差，使膜面受拉以保证刚度，同时维持形态并抵抗外部荷载的结构形式。

风荷载作用下，膜表面风压力分布是不断变化的，要想准确的计算出结构各点处的风压情况非常困难。

目前，基本上都是采用缩小比例的刚性或柔性模型风洞试验测量风压分布数据，但试验费用相对比较高，而且耗时。

针对目前使用较多、形状相对比较简单的圆柱形充气膜结构，文献[1-5]中提出了相应的理论数值求解方法，但是计算公式非常繁琐，不便于工程应用。

加拿大N.Turkkan和N.K.Srivastava对圆柱形和半球形的充气膜结构在风载作用下的风压分布进行了大量的试验研究[6-7]。

根据其风荷载作用下气膜的风压分布试验结果，基于水平合力、竖向合力等效的原则，本文提出了几种常见情形下风压系数Cp分布简化模型；利用该分布模型，通过模拟试验分析了风入射角α、膜内外压之比Pi/q、矢跨比H/B等主要因素对某工程结构控制位置处的位移和应力的影响。

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充气膜结构的受力分析
膜结构车棚采用的充气膜结构技术，其受力分析为解决气枕式充气膜结构在荷载作用下的变形问题，采用非线性有限元方法对气枕式充气膜结构进行形态分析的基本方法。

气忱式充气膜结构的形态分析分为找形分析和找态分析两个阶段，由此可得到满足相应要求的几何模型与应力状态．
假设密封气枕内质量一定的气体满足理想气体状态方程，在荷载作用下，内压随着体积的变化而变化。

给出在一定压力作用下半球状气枕的验证算例并与材料力学中给出的理论解进行比较；基于该方法，另对气枕式充气膜结构在不同外荷载作用下的受力状态进行分析并给出相应的算例，计算结果表明采用理想气体状态方程可以模拟在外部荷载作用下气枕的变形、应力状态以及内压变化情况，且是合理有效并具有较高的准确性。

张拉膜结构的找形采用动力松弛法，对膜结构找形分析时，为了防止节点的聚集以获得更精确的膜曲面，提出了一种新的控制网格变形的找形技术。

膜单元采用平面三角形单元描述，在单元每两节点间引入了与单元边长变化速率成正比的阻尼项，通过阻尼项产生的节点力来控制网格在找形过程中的变形，对悬链面找形时发现，当黏性系数不大于0.7时，动力松弛法收敛，网格节点分布较无阻尼时均匀。

对Scherk-1ike曲面找形时发现，能够控制网格变形且满足收敛性的黏性系数的上限为1.5。

此方法能够有效地解决膜结构找形分析中网格的大变形问题，保证了单元密度，尤其是克服了曲率较小处网格过于稀疏的缺陷。

文章来源：/news_show_1629.html
/employ.asp。