膜结构的施工成形模拟与误差控制研究

近十年来膜结构迅速向大型化、复杂化发展，膜结构施工成形理论研究的滞后成为制约膜结构进一步的超越发展的关键问题。为此，本项目拟采用数值分析、试验研究等方法对膜结构施工成形问题展开深入的、系统的研究，主要内容包括：(1)提出膜结构施工成形的全过程数值模拟方法，为施工过程的跟踪分析及施工方案的确定、施工误差的分析等研究工作提供基础研究手段；(2)提出膜结构施工成形方案的多目标优化方法，通过优化分析为膜结构施工方案的确定提供理论依据；(3)考虑施工误差的随机性和各误差参数的耦合作用，提出膜结构施工成形的误差分析方法，阐明各种误差源与膜结构成形的敏感度关系，为膜结构施工成形的误差控制提供具体建议，并为编制或修订有关国家标准提供基础资料。本项目兼顾理论性和实用性，以期解决当前膜结构施工成形无据可循的局面,部分研究成果可用于太空膜结构等相关领域。

本项目采用数值分析、试验研究等方法对膜结构施工成形问题展开了深入的、系统的研究，主要包括：(1)提出了膜结构施工成形的全过程数值模拟方法。该方法先根据平面裁剪片的几何形状求解出拼接粘贴后的无应力初始形态，再对该初始形态进行充气或张拉的数值模拟，从而获得最终的成形形态。该方法的准确性和有效性已通过数值算例和实验结果进行了证明。它为施工过程的跟踪分析及施工方案的确定、施工误差的分析等研究工作提供了基础研究手段；(2)考虑施工误差的随机性和各误差参数的耦合作用，提出了膜结构施工成形的误差分析方法。选取膜材厚度偏差、膜材弹性模量偏差、边界偏差、气压偏差等作为主要影响因素并建立了各误差的随机模型。根据拉丁超立方抽样法进行随机抽样，采用基于回归和相关的全局敏感性方法对膜结构进行了分析。分析揭示了各误差源与成形精度的敏感度关系，并据此进一步为成形精度控制提供了合理化建议；(3)考虑应力、几何形状、支座反力等多项指标，对典型膜结构的多种施工成形方案进行了模拟。研究了施工过程中结构的内力、位移、反力的变化规律，考察了不同的施工顺序对其施工张拉过程的影响。分析进一步考虑了不同参数包括跨度、高跨比以及索膜预张力密度比对研究结果的影响。最终通过分析和比选给出了最优成形方案，为膜结构施工方案的确定提供了依据。