气肋式膜结构分析理论与方法研究

气肋式膜结构广泛应用于公共建筑、灾后救助、野战临建等民用、军用领域。国内外学者基于固体力学理论对其力学性能及数值分析方法进行了理论与试验研究，但存在非线性方程迭代收敛困难、难以模拟内部气体压力变化等问题，针对气肋式膜结构充气过程仿真的研究也较少。本项目通过数值模拟及试验研究，基于流固耦合理论，采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）描述，建立气肋式膜结构内部气体和膜面以及界面的控制方程，对耦合算法、边界追踪、网格更新及非线性方程迭代控制方法进行研究；提出适用于气肋式膜结构的数值分析方法，探讨其力学特性、破坏机理；采用控制体积法（CV）等理论，对气肋式膜结构充气、泄气过程进行仿真研究，考查充气方式、折叠形式、充气风速、环境因素等对其成形的影响；通过对简单形式气肋式膜结构进行参数分析，建立其承载力实用计算公式。本项目的完成可以完善气肋式膜结构的分析设计理论，也为其它类型充气膜结构的分析提供参考。

项目组查阅了气肋式充气膜结构相关的国内外文献和现有试验数据；进行了膜材径向、纬向单轴拉伸试验和径向、纬向不同应力比双轴拉伸试验，掌握了膜材基本力学性能及指标；考虑不同矢跨比、径跨比，设计、制作了4组缩比气肋拱模型，进行了不同初始几何条件、不同边界条件下气肋拱模型充气成型试验，得到了气肋拱充气过程中的展开规律和气压变化规律，总结归纳出不同矢跨比气肋拱充气成型实用方法；进行了气肋拱模型泄气倒塌试验，得到气肋拱泄气倒塌过程中气压变化规律；进行了气肋拱模型不同内压时水平、竖向荷载试验，得到气肋拱承载能力与内部气压近似成正比、与气肋拱直径的平方近似成正比的规律；对项目负责人主持设计的可移动机库气肋框架膜结构进行了充气成型、泄气倒塌试验，得到气肋框架式膜结构充气成型、泄气倒塌规律，归纳出充气成型的关键因素；进行了气肋框架式膜结构水平、竖向荷载试验，归纳出气肋框架结构的受力特性，得出气肋连系梁不仅可以传递拉力，同样可以传递压力、剪力和弯矩，证明了气肋拱与气肋梁可以形成气肋框架结构。.归纳出通过三维摄影测量技术获得充气膜结构在充气成型和泄气倒塌动态过程中位移的测量方法；基于流固耦合，采用控制体积法（CV法）对气肋式膜结构充气、泄气过程进行仿真模拟，考查了不同几何形态、充气方式、折叠形式、充气风速等对成型的影响；建立了求解简单形式气肋式膜结构充气、泄气过程状态参数的实用简化分析方法，提出可供实际工程参考的设计参数、折叠形式及充气方法；提出动态迭代变形因子法动态调整非线性迭代过程中变形增量，解决充气膜结构荷载分析过程中由于接触、膜皱褶等因素导致非线性荷载分析过程中迭代收敛性差的问题；开发了拥有自主知识产权的充气膜结构分析设计程序，通过气肋拱和气肋框架荷载试验，验证了程序的正确性；探讨了气肋式膜结构在不同矢跨比、径跨比、内压等参数变化时的受力规律，提出了气肋拱承载能力实用计算公式。.项目取得如下研究成果：设计建造了我国第一个气肋框架式充气膜结构可移动机库；项目负责人作为第一完成人获得2015年度上海市科技进步二等奖1项，项目名称“充气膜结构新体系分析设计与施工关键技术”；已发表科技论文10篇，其中SCI检索论文3篇，另外1篇SCI论文处于修改稿阶段，还完成了2篇SCI论文初稿；培养博士研究生2名，硕士研究生1名。