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近些年来,由于在外观、经济性和实用性等方面的考虑,索膜结构已经越来越多地被应用于大型公共设施的屋顶结构或小型结构小品中。一直以来,由于其特殊性,索膜结构的设计常常是用专用软件来完成的。目前,虽然小型索膜结构的设计已经可以较好地用专用软件来完成,但是对于大型、复杂结构中的索膜结构的设计和计算,却往往是将其中的索膜结构单独拿出来进行分析,而不能对整个结构进行整体分析,这是由于除了索膜结构外,整个结构中还包含有其它多种类型的结构形式,如板壳结构、梁式结构、块体结构等等,且它们的规模还很大,而专用的索膜结构设计软件目前往往还不能处理复杂的大型问题。现在有许多大型的有限元通用软件可以处理复杂的大型结构问题,甚至可以对结构进行几何非线性和/或材料非线性的分析,但是却对索膜结构的找形分析难以处理。本研究即是为了在大型通用有限元分析软件ABAQUS中进行索膜结构分析而进行的初步尝试。
本文首先回顾了杆系结构几何非线性有限元方法的列式;然后,基于采用格林应变的杆件几何非线性有限元方法推导出了一种常轴应力杆单元,该单元可以被应用于与其它类型的单元(如采用格林应变的梁单元、板壳单元和块体单元)一起进行包含索膜结构的复杂结构的整体找形分析。经推导发现,对于索膜结构的找形分析来说,应用该常轴应力杆单元与应用力密度法是等价的。然后利用ABAQUS提供的强大的外接接口,用FORTRAN语言编写了外接自定义单元子程序,使得我们可以利用ABAQUS方便地进行包含索膜结构的复杂结构的整体找形分析。最后,利用ABAQUS+常应力杆单元这一分析平台,进行了索膜结构的形态分析及包含索膜结构的复杂结构的整体找形分析,得出了满意的结果。