形态分析是索膜结构设计中的一个关键问题。本文提出了有效的形态设计方法,从理论角度对索膜结构各种基本曲面形式进行找形分析和受力性能的研究,并提出设计的参考标准和设计要素。 首先,从基本原理上比较了索膜结构找形的三种基本方法——力密度法、动力松弛法和非线性有限元法,指出每种方法的优缺点,并且对索膜单元的非线性有限元力学模式进行了详细推导。 其次提出了以有限元法为核心的考虑索膜重力作用的二次找形法,编制了相应的程序。算例分析表明,索膜结构在找形分析时,若考虑重力作用,膜面和索的曲率比未考虑重力大,因此二次找形法获得的结果更接近实际的情况。该方法还具有收敛速度快、收敛性好的优点。同时,本文对小杨氏模量问题和真实杨氏模量问题进行研究,提出二次小杨氏模量法以改善程序的收敛性。 从膜结构的基本曲面形式——锥形曲面入手,按不同的预张力相对关系分别模拟各种找形过程,并提出函数法确定索膜结构找形设计中的预张力取值。 在形态分析的基础上,对双曲面索膜结构进行静力性能分析,计算该结构在不同参数下的结构响应,并研究各种基本参数变化对索膜结构受力性能产生的影响。