【摘 要】
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充气膜作为一种自重轻、透光性好、外形美观的结构形式,近年来被广泛运用于水立方等大跨结构,以及航空航天可展开结构中。气枕结构是充气膜结构的一种,气枕结构由内充气体和外部膜材组合而成,内充气体为气枕提供结构刚度,因此如何考虑气枕的内充气体,对气枕的力学性能有着重要的影响;外部膜材是为气枕提供预应力并维持气枕构形的主要构件,由于薄膜的抗弯刚度较小,受到压应力作用会发生局部屈曲,产生褶皱变形,影响气枕结构
【基金项目】
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国家自然基金面上项目“考虑气-膜耦合作用的充气膜有限元模型及其褶皱分析”（51778041）；
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充气膜作为一种自重轻、透光性好、外形美观的结构形式,近年来被广泛运用于水立方等大跨结构,以及航空航天可展开结构中。气枕结构是充气膜结构的一种,气枕结构由内充气体和外部膜材组合而成,内充气体为气枕提供结构刚度,因此如何考虑气枕的内充气体,对气枕的力学性能有着重要的影响;外部膜材是为气枕提供预应力并维持气枕构形的主要构件,由于薄膜的抗弯刚度较小,受到压应力作用会发生局部屈曲,产生褶皱变形,影响气枕结构的力学性能,因此褶皱变形对气枕结构的有着重要的影响。气枕结构作为一种轻质结构,具有风敏感的特点,因此需要对气枕结构进行风致响应分析。因此本文考虑气膜耦合作用的影响,研究了褶皱变形对气枕结构的承载能力和风振响应的影响,并研究了气枕流固耦合作用的影响因素。本文通过将内充气体等效为有势流体,考虑气-膜耦合作用的影响;基于板壳稳定理论,考虑褶皱变形的影响,将考虑褶皱变形影响与不考虑褶皱变形影响的的结果进行对比,研究了褶皱变形对气枕的承载能力和风振响应的影响。通过将风荷载等效为静力边界条件,研究风压力和风吸力作用下气枕的承载能力。将考虑褶皱变形影响与不考虑褶皱变形影响的的结果进行对比,研究皱褶变形对气枕的风压时程分析和流固耦合分析的影响,并通过对比风压时程分析和流固耦合分析的结果,研究了气枕的流固耦合作用及其影响因素。本文具体研究内容如下:1)基于板壳稳定理论,建立了考虑褶皱变形影响的正六边形气枕有限元模型。将风荷载等效为静力边界条件,对气枕进行承载能力分析,通过将结果与不考虑褶皱变形影响的结果对比,研究不同参数变化时,在风压力和风吸力作用下,褶皱变形对气枕的承载能力的影响。2)基于TPU数据库提供的风压时程,将风压时程施加在方形气枕上膜面,对气枕进行风压时程分析,研究褶皱变形对气枕风压时程分析的影响,主要研究了风速、风向角和气枕初始内压的影响。3)建立外部流场模型,在流场的入口处设置层流模型,对考虑褶皱变形影响的方形气枕进行流固耦合分析,研究褶皱对气枕流固耦合分析的影响,主要研究了风速、风向角和气枕初始内压的影响。4)将方形气枕流固耦合分析和风压时程分析的结果进行对比,研究了气枕的流固耦合作用及其影响因素,并对气动阻尼和附加质量如何影响流固耦合效应进行了分析。5)结果表明:在承载能力分析中,考虑褶皱变形会使气枕承载能力提前进入下降段;初始内压增大,气枕的承载能力先增大后减小;矢跨比增大,气枕承载能力先减小后增大;气枕尺寸增大,承载能力先增大后减小。在风压时程分析中,风速增大,膜面差异增大;风向角改变,膜面差异向风向角对角线位置偏移;气枕初始内压增大,膜面差异逐渐减小。在流固耦合分析中,风速增大,膜面差异增大;风向角改变,膜面差异向风向角对角线位置偏移;气枕初始内压增大,膜面差异逐渐减小。对流固耦合影响因素的研究中,气动阻尼加速气枕风振响应的幅值和频率的衰减,且对膜面位移和应力的影响更大;附加质量会加速气枕速度和加速度响应的衰减。本文的研究有助于准确反映褶皱变形对气枕静力和动力响应以及气-膜流固耦合作用的影响,保证气枕设计的合理性和工程应用的可靠性。
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