張拉膜膜結構的形狀確定問題有兩種類型:
(1)給定預應力分布的形狀確定問題:預先假定張拉膜膜結構中應力的分布情況,在根據受力合理或經濟原則進行分析計算,以得到膜的初始幾何狀態。
(2)給定幾何邊界條件的形狀確定問題:預先確定張拉膜膜結構的幾何邊界條件,然后計算分析預應力分布和空間形狀。
肥皂泡就是最合理的自然找形的張拉膜結構。最初的找形正是通過皂膜比擬來進行,后來發展到用其他彈性材料做模型,通過測量模型的空間坐標來確定形狀,對于簡單的外形也可以用幾何分析法來確定,張拉膜結構找形技術的真正發展來自計算機有限元分析方法的發展。為了尋求張拉膜結構的合理的幾何外形,需要通過計算機的多次迭代才能得到。
常用的張拉膜結構計算機找形方法有以下種:
(1)力密度法
索網結構中拉力與索長度的比值定義為力密度(ForceDensity)。力密度法(ForceDensityMethod)是由Linkwitz及Schek提出來的,原先只是用于索網結構的找形,將膜離散為等代索網,后來,該方法被用于張拉膜結構的找形。把等代為索的張拉膜結構看成是由索段通過結點相連而成,通過指定索段的力密度,建立并求解結點的平衡方程,可得各自由結點的坐標。
不同的力密度值,對應不同的外形。當外形符合要求時,由相應的力密度即可求得相應的預應力分布值。力密度法也可以用于求解最小曲面,最小曲面時膜內應力處處相等,肥皂膜就是最好的最小曲面的例子。實際上的最小曲面無法用計算機數值計算方法得到,所以工程上常采用指定誤差來得到可接受的較小曲面。
力密度法的優點是只需求解線性方程組,其精度一般能滿足工程要求。用力密度法找形的軟件有德國EASY(EasyForm)、意大利Forten32、新加坡WinFabric等。
(2)動力松弛法
動力松弛法(DynamicRelaxationMethod)是一種專門求解非線性系統平衡狀態的數值方法,他可以從任意假定的不平衡狀態開始迭代得到平衡狀態,最早將這種方法用于索網結構的是Day和Bunce,而Barnes則成功地應用于張拉膜結構的找形。
力密度法只是從空間上將膜離散化,而動力松弛法從空間和時間兩方面將張拉膜結構體系離散化。空間上的離散化是將結構體系離散為單元和結點,并假定其質量集中于結點上。時間上的離散化,是針對結點的振動過程而言的。初始狀態的結點在激振力作用下開始振動,這時跟蹤體系的動能;當體系的動能達到極值時,將結點速度設置為零,跟蹤過程重新開始,直到不平衡力為極小,達到新的平衡為止。
動力松弛法最大特點是迭代過程中不需要形成剛度矩陣,節約了剛度矩陣的形成和分解時間,并可在計算過程中修改結構的拓撲和邊界條件,該方法用于求解給定邊界條件下的平衡曲面。其缺點是迭代步驟往往很多。用動力松弛法找形的軟件有英國InTENS、新加坡WinFabric、英國Suface等。
(3)有限單元法
有限單元法(FiniteElementMethod)最初是用來計算索網結構的非線性迭代方法,但現在已成為較普遍的張拉膜結構找形方法。其基本算法有兩種,即從初始幾何開始迭代和從平面狀態開始迭代。顯然,從初始幾何開始迭代找形要比從平面狀態開始來得有效,且所選用的初始幾何越是接近平衡狀態,計算收斂越快,但初始幾何的選擇并非容易之事。兩種算法中均需要給定初始預應力的分布及數值。在用有限元法找形時,通常采用小楊氏模量或者干脆略去剛度矩陣中的線性部分,外荷載在此階段也忽略。