一種根據溫度變化調節氣枕內壓的氣枕設計方法
2023-07-03 07:15:26 1
專利名稱：一種根據溫度變化調節氣枕內壓的氣枕設計方法
技術領域：
本發明涉及一種根據溫度變化調節氣枕內壓的氣枕設計方法，屬於結構工程技術領域。
技術背景近年來，由乙烯一四氟乙烯共聚物ETFE製成的膜材料替代傳統的玻璃和其它高分子 採光板用於大型建築物的屋面或牆體。ETFE膜材主用應用於充氣膜結構。實際應用中通常 採用兩層或者多層ETFE膜，將邊緣夾住充氣形成氣枕。作為2008年北京奧運會的主要比 賽場館之一，國家遊泳中心"水立方"的建築圍護結構就採用ETFE氣枕結構，內外表面覆蓋 面積達到12萬平方米，是世界上最大的ETFE應用工程。ETFE氣枕結構是一種結構形式，在穩定的外部氣候條件下，具有良好的承載能力，同 時整體的變形很小。氣枕內壓使ETFE薄膜產生張力，生成初始形狀並提供氣枕的剛度。 根據氣枕的形狀和大小，內部氣壓一般在200~750Pa之間。但氣枕結構的內壓對溫度變化 及外荷載作用較為敏感，使用中需監控氣枕內壓。正常情況下，內壓維持在一定的範圍內， 可滿足使用要求。當遭遇惡劣天氣或冬夏季節變化時，氣枕內氣體溫度的改變可使氣枕的 內壓發生變化，不能維持設計的幾何形狀。此時需合理調節內壓，對氣枕進行充氣或放氣。 發明內容本發明提出了一種根據溫度一內壓變化曲線調節ETFE氣枕結構內壓的方法。本發明 的核心內容包括對氣枕結構進行設計，確定溫度一壓力變化曲線，然後根據曲線進行內 壓調整。本發明的特徵在於所述方法是在計算機中依次按如下步驟實現的。 步驟(l).初始化根據外壓初步確定內壓的範圍， 根據設計要求確定氣枕矢跨比範圍，設定初始的乙烯一四氟乙烯共聚物ETFE膜材厚度和矢跨比； 步驟(2).對氣枕進行找形分析，求得等應力曲面。以等應力的零狀態曲面為氣枕的初始曲面，並充內壓，得到氣枕的設計形狀，至少包括氣枕體積、上下膜矢高、上下膜片的最大主應力等幾何和物理參數；。步驟(3).在步驟(2)得到的內壓值下，分析氣枕在正風壓、負風壓以及集中荷載共三種情況氣枕的應力分布和變形，得到包括氣枕體積、上膜最高點、下膜最低點、上下膜 最大主應力以及氣枕內壓變化等參數。判斷是否滿足膜材應力水平要求，若滿足，則進 入下一步驟，否則返回步驟(l);步驟(4).計算不同氣枕空氣溫度下氣枕內壓值，得到氣枕溫度和內壓變化曲線。並 據此進行放氣或充氣，保證氣枕正常工作。本發明的特徵在於所建氣枕的基本單位為六邊形氣枕網格，氣枕立面為紡錐形立面。 氣枕結構分析包括找形分析和荷載分析。找形分析是指確定氣枕合理的幾何形狀和與該 形狀相對應的膜片初始應力。氣枕結構由上下兩膜片及內部氣體構成，共同承受外荷載的 作用。外部荷載作用在上膜片，通過對氣枕內壓的影響將荷載作用傳遞到下膜片，實現氣 枕結構的整體工作。上膜片直接承受外荷載，同時也受內壓作用，而下膜片主要承受內壓 的作用，間接承受外荷載作用。氣枕結構的上下膜片受力作用不同，因此，在不同的荷載 作用下，控制上下膜片的最大應力水平在相同的範圍內，上下膜片的找形形狀就會有所不 同。根據ETFE材料特性要求，控制上下膜片在最大荷載作用下的主應力水平不超過 15-20MPa，在正常內壓下的主應力水平不超過5-8MPa。氣枕的荷載態分析包括氣枕在各種 荷載工況如風荷載、雪荷載、集中荷載、溫度等作用下的膜片應力分布和變形分析，並應 考慮半跨荷載對氣枕結構的不利作用。ETFE氣枕結構設計中的關鍵問題是應力水平的控制及內壓水平的控制。其中，應力水 平的控制可以保證膜材的抗拉性能和抗徐變性能，氣枕內壓的變化控制可以保證其承載能 力要求。內壓主要由外壓決定，根據外壓對內壓進行調控。與應力水平相關的有三個因素 膜材厚度、矢跨比和內壓。在內壓已定的情況下，對矢跨比和厚度的選擇成為關鍵。氣枕結構設計框圖1給出了氣枕結構合理設計流程為；l.根據外壓初步確定內壓範圍； 2.根據建築功能等要求確定氣枕矢跨比範圍；3.設定初始的膜材厚度和矢跨比,並進行找形分 析；4.確定氣枕各種工況如風荷載、雪荷載、集中荷載、溫度等；5.分析氣枕在各種工況下 的應力；6.考察應力水平是否滿足膜材應力水平要求；如不滿足，返回步驟2重新設計；如 滿足，結束設計。由理想氣體狀態方程PV=nRT可知，在氣枕內氣體摩爾數不變即沒有充氣或放氣時， 內壓P與體積V的乘積與溫度T成正比；若假設T不變，P與V成反比。因此溫度改變對 內壓影響較大。對特定的氣枕結構，通過分析可以得出氣枕內氣體溫度變化對內壓的影響， 即溫度—內壓變化曲線。根據該曲線，可方便地確定需調整的內壓值進行充氣或放氣，從 而保證氣枕結構的正常工作。氣枕溫度一內壓變化曲線。每個氣枕對應一條溫度一內壓變化曲線。橫坐標為氣枕內 氣體溫度，縱坐標為氣枕內壓變化量。以某一氣枕為例，氣枕內氣體初始溫度15攝氏度，內壓550Pa，其溫度一內壓變化曲線如圖2所示。當溫度提高5攝氏度即溫度為20度時， 氣枕內壓增加約180Pa。為保證氣枕正常工作，需降低內壓180Pa，即進行放氣。當溫度降 低5攝氏度即溫度為10度時，氣枕內壓減少180Pa。為保證氣枕正常工作，需提高內壓180Pa， 即進行充氣。由圖2也可看到，氣枕內壓的變化與氣枕內氣體溫度的變化基本成線性關係， 變化幅度很大，與此同時，氣枕體積變化微小。本方法經試驗證明切實可行，且安全可靠。
圖l為氣枕結構設計流程圖。圖2為氣枕結構溫度一內壓變化曲線。圖3為氣枕平面尺寸和網格劃分，網格呈六邊形。圖4為初始內壓下氣枕立面圖，立面是紡錐形。
具體實施方式
氣枕結構分析包括找形分析和荷載分析。以國家遊泳中心"水立方"結構中屋面中部一氣枕為例，氣枕的平面尺寸和網格劃分見 圖3。上下膜片採用厚0.4mm的ETFE膜材，初始溫度15攝氏度。對氣枕進行找形分析，求得等應力曲面。以等應力的零狀態曲面為氣枕的初始曲面， 並充內壓550Pa，可得圖4所示氣枕。該氣枕體積為107.34354m3，上膜矢高為1.61m，下 膜矢高為1.33m，符合建築要求。上下膜片的最大主應力分別為6.06MPa和7.13MPa，均小 於8Mpa，滿足膜片應力水平要求。對氣枕進行荷載分析。各荷載工況下氣枕的應力分布和變形如下。荷載工況l:內壓550Pa時作用負風壓1000Pa，此時氣枕體積變為107.73075 m3，上膜 最高點抬升0.047m，下膜最低點抬升0.033m，氣枕內壓降至185Pa。上下膜的最大單元主 應力分別為12.8MPa和2.44MPa。荷載工況2:內壓550Pa作用正風壓500Pa,此時氣枕體積變為107.13412 m3，上膜最高 點下降0.013m，下膜最低點向下降0.018m，氣枕內壓增至745Pa。上下膜的最大單元主應 力分別為2.72MPa和9.56MPa。荷載工況3:內壓550Pa時作用集中荷載，集中荷載作用處上膜片向下凹，其單元應力 水平較其他部位有顯著增大，其他部分及下膜應力水平變化不大。分析氣枕內氣體溫度對內壓的影響，可得如圖2所示氣枕溫度一內壓變化曲線。由圖2 可見，當溫度提高時，氣枕內壓增加。為保證氣枕正常工作，需降低內壓，即進行放氣。 當溫度降低時，氣枕內壓減少。為保證氣枕正常工作，需提高內壓，即進行充氣。由圖2 也可看到，氣枕內壓的變化與氣枕內氣體溫度的變化基本成線性關係。
權利要求
1. 一種根據溫度變化調節氣枕內壓的氣枕設計方法，其特徵在於，所述方法是在計算機中依次按如下步驟實現的。步驟(1).初始化根據外壓初步確定內壓的範圍，根據設計要求確定氣枕矢跨比範圍，設定初始的乙烯—四氟乙烯共聚物ETFE膜材厚度和矢跨比；步驟(2).對氣枕進行找形分析，求得等應力曲面。以等應力的零狀態曲面為氣枕的初始曲面，並充內壓，得到氣枕的設計形狀，至少包括氣枕體積、上下膜矢高、上下膜片的最大主應力等幾何和物理參數；步驟(3).在步驟(2)得到的內壓值下，分析氣枕在正風壓、負風壓以及集中荷載共三種情況氣枕的應力分布和變形，得到包括氣枕體積、上膜最高點、下膜最低點、上下膜最大主應力以及氣枕內壓變化等參數。判斷是否滿足膜材應力水平要求，若滿足，則進入下一步驟，否則返回步驟(1)；步驟(4).計算不同氣枕空氣溫度下氣枕內壓值，得到氣枕溫度和內壓變化曲線。並據此進行放氣或充氣，保證氣枕正常工作。
2、 根據權利要求1所述的設計方法，其特徵在於所述氣枕的基本單位為六邊形氣枕 網格，氣枕立面為紡錐形立面。
全文摘要
本發明涉及一種根據溫度變化調節氣枕內壓的氣枕設計方法，屬於結構工程技術領域。其特徵在於，所述方法含有如下步驟設定內壓範圍、初始膜材厚度和矢跨比範圍，進行找形分析，求得等應力曲面，得到至少包括氣枕體積，上、下膜矢高，上、下膜最大主應力以及此時氣枕內壓在內的幾何、物理參數；判斷是否滿足膜材應力水平要求；分析氣枕在正風壓、負風壓以及集中荷載下氣枕各幾何、物理參數的變化，得到氣枕的應力分布和變形，判斷是否滿足膜材應力水平要求。計算氣枕空氣溫度——內壓曲線，由該曲線得到溫度變化下內壓的變化值，根據內壓變化進行放氣或充氣，保證氣枕正常工作；本方法切實可行，且安全可靠。
文檔編號G06F17/50GK101261657SQ20081009431
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月28日 優先權日2008年1月23日
發明者傅學怡, 徐國宏, 袁行飛 申請人:浙江大學;中建國際(深圳)設計顧問有限公司