專利名稱：一種根據(jù)溫度變化調(diào)節(jié)氣枕內(nèi)壓的氣枕設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)溫度變化調(diào)節(jié)氣枕內(nèi)壓的氣枕設(shè)計方法，屬于結(jié)構(gòu)工程技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景近年來，由乙烯一四氟乙烯共聚物ETFE制成的膜材料替代傳統(tǒng)的玻璃和其它高分子 采光板用于大型建筑物的屋面或墻體。ETFE膜材主用應(yīng)用于充氣膜結(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用中通常 采用兩層或者多層ETFE膜，將邊緣夾住充氣形成氣枕。作為2008年北京奧運(yùn)會的主要比 賽場館之一，國家游泳中心"水立方"的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)就采用ETFE氣枕結(jié)構(gòu)，內(nèi)外表面覆蓋 面積達(dá)到12萬平方米，是世界上最大的ETFE應(yīng)用工程。ETFE氣枕結(jié)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)形式，在穩(wěn)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(nèi)壓使ETFE薄膜產(chǎn)生張力，生成初始形狀并提供氣枕的剛度。 根據(jù)氣枕的形狀和大小，內(nèi)部氣壓一般在200~750Pa之間。但氣枕結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓對溫度變化 及外荷載作用較為敏感，使用中需監(jiān)控氣枕內(nèi)壓。正常情況下，內(nèi)壓維持在一定的范圍內(nèi)， 可滿足使用要求。當(dāng)遭遇惡劣天氣或冬夏季節(jié)變化時，氣枕內(nèi)氣體溫度的改變可使氣枕的 內(nèi)壓發(fā)生變化，不能維持設(shè)計的幾何形狀。此時需合理調(diào)節(jié)內(nèi)壓，對氣枕進(jìn)行充氣或放氣。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了一種根據(jù)溫度一內(nèi)壓變化曲線調(diào)節(jié)ETFE氣枕結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的方法。本發(fā)明 的核心內(nèi)容包括對氣枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，確定溫度一壓力變化曲線，然后根據(jù)曲線進(jìn)行內(nèi) 壓調(diào)整。本發(fā)明的特征在于所述方法是在計算機(jī)中依次按如下步驟實(shí)現(xiàn)的。 步驟(l).初始化根據(jù)外壓初步確定內(nèi)壓的范圍， 根據(jù)設(shè)計要求確定氣枕矢跨比范圍，設(shè)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(jìn)行找形分析，求得等應(yīng)力曲面。以等應(yīng)力的零狀態(tài)曲面為氣枕的初始曲面，并充內(nèi)壓，得到氣枕的設(shè)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(yīng)力等幾何和物理參數(shù)；。步驟(3).在步驟(2)得到的內(nèi)壓值下，分析氣枕在正風(fēng)壓、負(fù)風(fēng)壓以及集中荷載共三種情況氣枕的應(yīng)力分布和變形，得到包括氣枕體積、上膜最高點(diǎn)、下膜最低點(diǎn)、上下膜 最大主應(yīng)力以及氣枕內(nèi)壓變化等參數(shù)。判斷是否滿足膜材應(yīng)力水平要求，若滿足，則進(jìn) 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(nèi)壓值，得到氣枕溫度和內(nèi)壓變化曲線。并 據(jù)此進(jìn)行放氣或充氣，保證氣枕正常工作。本發(fā)明的特征在于所建氣枕的基本單位為六邊形氣枕網(wǎng)格，氣枕立面為紡錐形立面。 氣枕結(jié)構(gòu)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(yīng)的膜片初始應(yīng)力。氣枕結(jié)構(gòu)由上下兩膜片及內(nèi)部氣體構(gòu)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(nèi)壓的影響將荷載作用傳遞到下膜片，實(shí)現(xiàn)氣 枕結(jié)構(gòu)的整體工作。上膜片直接承受外荷載，同時也受內(nèi)壓作用，而下膜片主要承受內(nèi)壓 的作用，間接承受外荷載作用。氣枕結(jié)構(gòu)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(yīng)力水平在相同的范圍內(nèi)，上下膜片的找形形狀就會有所不 同。根據(jù)ETFE材料特性要求，控制上下膜片在最大荷載作用下的主應(yīng)力水平不超過 15-20MPa，在正常內(nèi)壓下的主應(yīng)力水平不超過5-8MPa。氣枕的荷載態(tài)分析包括氣枕在各種 荷載工況如風(fēng)荷載、雪荷載、集中荷載、溫度等作用下的膜片應(yīng)力分布和變形分析，并應(yīng) 考慮半跨荷載對氣枕結(jié)構(gòu)的不利作用。ETFE氣枕結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題是應(yīng)力水平的控制及內(nèi)壓水平的控制。其中，應(yīng)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(nèi)壓的變化控制可以保證其承載能 力要求。內(nèi)壓主要由外壓決定，根據(jù)外壓對內(nèi)壓進(jìn)行調(diào)控。與應(yīng)力水平相關(guān)的有三個因素 膜材厚度、矢跨比和內(nèi)壓。在內(nèi)壓已定的情況下，對矢跨比和厚度的選擇成為關(guān)鍵。氣枕結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖1給出了氣枕結(jié)構(gòu)合理設(shè)計流程為；l.根據(jù)外壓初步確定內(nèi)壓范圍； 2.根據(jù)建筑功能等要求確定氣枕矢跨比范圍；3.設(shè)定初始的膜材厚度和矢跨比,并進(jìn)行找形分 析；4.確定氣枕各種工況如風(fēng)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(yīng)力；6.考察應(yīng)力水平是否滿足膜材應(yīng)力水平要求；如不滿足，返回步驟2重新設(shè)計；如 滿足，結(jié)束設(shè)計。由理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT可知，在氣枕內(nèi)氣體摩爾數(shù)不變即沒有充氣或放氣時， 內(nèi)壓P與體積V的乘積與溫度T成正比；若假設(shè)T不變，P與V成反比。因此溫度改變對 內(nèi)壓影響較大。對特定的氣枕結(jié)構(gòu)，通過分析可以得出氣枕內(nèi)氣體溫度變化對內(nèi)壓的影響， 即溫度—內(nèi)壓變化曲線。根據(jù)該曲線，可方便地確定需調(diào)整的內(nèi)壓值進(jìn)行充氣或放氣，從 而保證氣枕結(jié)構(gòu)的正常工作。氣枕溫度一內(nèi)壓變化曲線。每個氣枕對應(yīng)一條溫度一內(nèi)壓變化曲線。橫坐標(biāo)為氣枕內(nèi) 氣體溫度，縱坐標(biāo)為氣枕內(nèi)壓變化量。以某一氣枕為例，氣枕內(nèi)氣體初始溫度15攝氏度，內(nèi)壓550Pa，其溫度一內(nèi)壓變化曲線如圖2所示。當(dāng)溫度提高5攝氏度即溫度為20度時， 氣枕內(nèi)壓增加約180Pa。為保證氣枕正常工作，需降低內(nèi)壓180Pa，即進(jìn)行放氣。當(dāng)溫度降 低5攝氏度即溫度為10度時，氣枕內(nèi)壓減少180Pa。為保證氣枕正常工作，需提高內(nèi)壓180Pa， 即進(jìn)行充氣。由圖2也可看到，氣枕內(nèi)壓的變化與氣枕內(nèi)氣體溫度的變化基本成線性關(guān)系， 變化幅度很大，與此同時，氣枕體積變化微小。本方法經(jīng)試驗(yàn)證明切實(shí)可行，且安全可靠。


圖l為氣枕結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖。圖2為氣枕結(jié)構(gòu)溫度一內(nèi)壓變化曲線。圖3為氣枕平面尺寸和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格呈六邊形。圖4為初始內(nèi)壓下氣枕立面圖，立面是紡錐形。
具體實(shí)施方式
氣枕結(jié)構(gòu)分析包括找形分析和荷載分析。以國家游泳中心"水立方"結(jié)構(gòu)中屋面中部一氣枕為例，氣枕的平面尺寸和網(wǎng)格劃分見 圖3。上下膜片采用厚0.4mm的ETFE膜材，初始溫度15攝氏度。對氣枕進(jìn)行找形分析，求得等應(yīng)力曲面。以等應(yīng)力的零狀態(tài)曲面為氣枕的初始曲面， 并充內(nèi)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，符合建筑要求。上下膜片的最大主應(yīng)力分別為6.06MPa和7.13MPa，均小 于8Mpa，滿足膜片應(yīng)力水平要求。對氣枕進(jìn)行荷載分析。各荷載工況下氣枕的應(yīng)力分布和變形如下。荷載工況l:內(nèi)壓550Pa時作用負(fù)風(fēng)壓1000Pa，此時氣枕體積變?yōu)?07.73075 m3，上膜 最高點(diǎn)抬升0.047m，下膜最低點(diǎn)抬升0.033m，氣枕內(nèi)壓降至185Pa。上下膜的最大單元主 應(yīng)力分別為12.8MPa和2.44MPa。荷載工況2:內(nèi)壓550Pa作用正風(fēng)壓500Pa,此時氣枕體積變?yōu)?07.13412 m3，上膜最高 點(diǎn)下降0.013m，下膜最低點(diǎn)向下降0.018m，氣枕內(nèi)壓增至745Pa。上下膜的最大單元主應(yīng) 力分別為2.72MPa和9.56MPa。荷載工況3:內(nèi)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(yīng)力 水平較其他部位有顯著增大，其他部分及下膜應(yīng)力水平變化不大。分析氣枕內(nèi)氣體溫度對內(nèi)壓的影響，可得如圖2所示氣枕溫度一內(nèi)壓變化曲線。由圖2 可見，當(dāng)溫度提高時，氣枕內(nèi)壓增加。為保證氣枕正常工作，需降低內(nèi)壓，即進(jìn)行放氣。 當(dāng)溫度降低時，氣枕內(nèi)壓減少。為保證氣枕正常工作，需提高內(nèi)壓，即進(jìn)行充氣。由圖2 也可看到，氣枕內(nèi)壓的變化與氣枕內(nèi)氣體溫度的變化基本成線性關(guān)系。
權(quán)利要求
1. 一種根據(jù)溫度變化調(diào)節(jié)氣枕內(nèi)壓的氣枕設(shè)計方法，其特征在于，所述方法是在計算機(jī)中依次按如下步驟實(shí)現(xiàn)的。步驟(1).初始化根據(jù)外壓初步確定內(nèi)壓的范圍，根據(jù)設(shè)計要求確定氣枕矢跨比范圍，設(shè)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(jìn)行找形分析，求得等應(yīng)力曲面。以等應(yīng)力的零狀態(tài)曲面為氣枕的初始曲面，并充內(nèi)壓，得到氣枕的設(shè)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(yīng)力等幾何和物理參數(shù)；步驟(3).在步驟(2)得到的內(nèi)壓值下，分析氣枕在正風(fēng)壓、負(fù)風(fēng)壓以及集中荷載共三種情況氣枕的應(yīng)力分布和變形，得到包括氣枕體積、上膜最高點(diǎn)、下膜最低點(diǎn)、上下膜最大主應(yīng)力以及氣枕內(nèi)壓變化等參數(shù)。判斷是否滿足膜材應(yīng)力水平要求，若滿足，則進(jìn)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(nèi)壓值，得到氣枕溫度和內(nèi)壓變化曲線。并據(jù)此進(jìn)行放氣或充氣，保證氣枕正常工作。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于所述氣枕的基本單位為六邊形氣枕 網(wǎng)格，氣枕立面為紡錐形立面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種根據(jù)溫度變化調(diào)節(jié)氣枕內(nèi)壓的氣枕設(shè)計方法，屬于結(jié)構(gòu)工程技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，所述方法含有如下步驟設(shè)定內(nèi)壓范圍、初始膜材厚度和矢跨比范圍，進(jìn)行找形分析，求得等應(yīng)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(yīng)力以及此時氣枕內(nèi)壓在內(nèi)的幾何、物理參數(shù)；判斷是否滿足膜材應(yīng)力水平要求；分析氣枕在正風(fēng)壓、負(fù)風(fēng)壓以及集中荷載下氣枕各幾何、物理參數(shù)的變化，得到氣枕的應(yīng)力分布和變形，判斷是否滿足膜材應(yīng)力水平要求。計算氣枕空氣溫度——內(nèi)壓曲線，由該曲線得到溫度變化下內(nèi)壓的變化值，根據(jù)內(nèi)壓變化進(jìn)行放氣或充氣，保證氣枕正常工作；本方法切實(shí)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(yōu)先權(quán)日2008年1月23日
發(fā)明者傅學(xué)怡, 徐國宏, 袁行飛 申請人:浙江大學(xué);中建國際(深圳)設(shè)計顧問有限公司