蒙皮效应设计（共4篇）
蒙皮效应设计 篇1
前言
传统钢结构设计通常只考虑主体钢架及各类支撑的作用, 计算中不考虑围护结构对结构整体工作性能的贡献, 而只作为安全储备。蒙皮效应的原理是在纵横肋 (檩条、次梁等) 上覆盖围护结构而形成带肋“薄壳”结构, 围护结构在其自身平面内有很大的拉、压、剪强度, 同时在肋的协同作用下, 围护结构不会失稳, 可以承担更大的主轴压应力;也可以理解为以围护结构为腹板、以边缘墙梁或檩条为翼缘、以其余檩条或墙梁为加劲肋的薄壁深梁, 从而使蒙皮结构具有较大承载力和刚度, 提高了结构体系承担水平荷载的能力, 增加了结构整体稳定性, 而自重却很轻。
蒙皮效应的概念来源于机、轮制造业, 在建筑领域的应用并不深入, 随着钢结构理论和工程应用的发展, 目前在满足一定条件的钢结构中已有考虑。但事实上, 这种考虑还较为保守, 蒙皮效应的应用还可以更加广泛和深入, 为提高建筑物性价比、促进结构形式和设计理论的发展带来可观的经济效益和社会效益。
1 蒙皮效应的应用现状
1.1 国内应用现状
我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》都给出了有条件下的压型钢板以及轻型钢框架组成的轻钢住宅和门式刚架体系中蒙皮效应的应用, 在此不再赘述。在工程实际中, 这些应用或部分取代了屋盖系统支撑间的纵向系杆, 减少了屋面的横向水平支撑;或将山墙框架设计成不设柱间支撑的全部简支的小排架, 省去檩条上翼缘的拉条系统;或在刚架侧移控制的设计中利用蒙皮的平面内刚度而减小刚架侧移从而减少用钢量……均带来了一定的经济效益。但是, 这两套规程规范中的条件基本是概念设计上的限制和构造上的要求, 实际使用中可以参考的计算方法和公式还没有形成体系, 结构设计师很难以一个统一的指导思想和计算方法在实际工程中使用蒙皮效应。
以垂直荷载下坡顶门式刚架为例, 其运动趋势是屋脊向下、屋檐向外变形, 屋面板与檩条一起以前述薄壁深梁的形式来抵抗这一变形趋势, 显然, 屋面板的抗剪切能力远大于其抗弯能力, 故这里的蒙皮效应可理解为蒙皮由于其抗剪切刚度对于使板平面内产生变形的荷载的抵抗效应。对坡顶门式刚架, 抵抗竖向荷载作用的蒙皮效应取决于屋面坡度, 坡度越大蒙皮效应越显著;而抵抗水平荷载作用的蒙皮效应则随着坡度的减小而增加。构成整个结构蒙皮效应的是蒙皮单元, 蒙皮单元由两榀刚架间的屋面板、边缘构件和连接件及中间构件组成, 边缘构件是指两相邻的刚架梁和边缘檩条 (屋脊、屋檐檩条) , 中间构件是指中间部位檩条。由此, 蒙皮效应存在两个主要性能指标:强度和刚度。根据效应产生的机理, 蒙皮单元可能存在有三种强度破坏的可能:
(1) 边缘构件破坏:边缘构件可能产生压弯失稳或强度破坏, 显然属于脆性破坏, 在实际工程中尽量避免。
(2) 蒙皮的剪切屈曲破坏:在荷载较大、钢板较薄或板型相差较大时可能会发生, 这也是一种脆性破坏, 在实际工程中也应尽量避免。
(3) 连接破坏:包括板之间的连接破坏和板与边缘构件间的连接破坏。可靠的连接是蒙皮板发挥其效应优势的基础。其中, 板与檩条之间的连接在平行于檩条方向的破坏属于脆性破坏, 其他破坏都属于延性破坏。
而影响蒙皮单元刚度的因素主要有3个:蒙皮板本身的变形刚度, 蒙皮板的变形, 包括板的拱褶扭曲变形和剪切变形;连接件的变形刚度;边缘构件的轴向变形刚度。
中间构件一般对蒙皮单元剪切刚度的影响不大, 但对强度影响较大。在屋面板板型一定的前提下, 连接件和边缘构件是影响蒙皮单元抗剪刚度和强度的主要因素。由于蒙皮效应, 压型钢板 (围护结构) 在宏观上参与了受力, 为钢结构构件分担了部分外荷载, 同时为这些构件提供了良好的侧向约束和扭转约束 (在有可靠连接的前提下) , 改善了结构的受力条件, 提高了结构的整体稳定性能。特别对于受稳定控制的薄壁刚架构件和檩条构件, 蒙皮效应的优势尤为显著。
然而, 蒙皮效应的机理、作用条件、效果十分复杂, 国内并没有建立起系统的理论和有效的评价体系, 设计计算公式都忽略了这一效应, 蒙皮效应在实际工程设计中尚无法定量地应用。
1.2 国外应用发展与现状
相比我国建筑领域在蒙皮效应应用上的保守, 国外在其理论和应用研究上做了较长期的、大量的有成效的工作。早在20世纪50年代初国外已开始对蒙皮效应的系统性研究, 美国一研究小组的足尺寸大型系统蒙皮试验, 得到了不同板型、波高、板厚、板跨对蒙皮板抗剪强度、刚度的影响和总变形的组成等, 为蒙皮效应的研究和应用奠定了基础。随后陆续出现了蒙皮刚度的半经验公式、蒙皮剪切刚度和柔度的计算方法及公式。随着数值分析方法的发展, 对蒙皮问题使用有限元分析方法, 与试验结果的吻合程度相当高。美国钢铁协会的《蒙皮设计手册》和《冷弯型钢蒙皮设计》、欧洲钢结构协会的《欧洲钢结构应力蒙皮设计建议》等均标志着蒙皮效应在这些地区的轻钢结构中开始了广泛应用。现阶段的计算软件中也计入了蒙皮效应。
基于上述可靠的试验和有效的系统理论研究, 有很多成功的工程实例, 如旧金山和洛杉矶机场的波音747机库, 在137.2m长的中央支撑核心区两翼各伸出8个长70.1m、宽17.15m的双曲抛物面蒙皮单元, 利用蒙皮效应完全取消了屋面支撑体系, 仅此一项就比常规设计节省近40%的钢材用量;英国诺丁汉郡女王大道工业仓库 (14000m2) , 梁柱连接为铰接, 完全依靠屋面板的蒙皮效应保证结构的稳定性;匹茨堡艾米银行大厦首开高层钢结构应用蒙皮效应的先例, 在54层、222m高的筒体结构上, 采用钢饰板与柱和窗间梁组成的外框架可靠连接, 有效提高了结构抗侧刚度, 钢用量仅为115kg/m2。
2 基于ANSYS有限元模型的单层门刚厂房屋面蒙皮效应工程比对
某门刚厂房平面布置图见图1, 11榀刚架, 刚架跨度24m, 柱距6m, 檐口高9m, 屋顶坡度0.75/10, 无吊车。屋面采用YX51-205-820型0.6mm厚彩色压型钢板, 刚架采用楔形梁柱, 节点刚接, 柱与基础铰接。荷载取值如下:积灰荷载0.3k N/m2, 基本雪压为0.3k N/m2, 基本风压0.45k N/m2, 屋面活载0.3k N/m2。
2.1 相邻两榀刚架间屋面板平面内剪切柔度
全部采用壳单元进行模拟, 在有连接件的地方, 将檩条上表面与压型钢板下表面相对应处采用耦合命令建立位移协调关系。为便于求解非线性大挠度问题, 避免建立复杂约束方程, 檩条采用SHELL63单元建模, 截面划分为8份, 长度方向上每200mm划分一份;压型钢板采用SHELL1163单元, 截面每波形划分为8份, 每块钢板该方向上划分为24份。
蒙皮板所受剪力与位移关系见表1和图2。
由图2关系曲线可以看出, 蒙皮板所受剪力与该剪力所引起的位移成线性关系。计算可得蒙皮板平面内剪切柔度7.91mm/k N。相邻刚架间屋面板体系总剪切柔度 (7.91×12.0337/12) /2=3.97mm/k N。
2.2 考虑蒙皮效应时对刚架柱顶侧移的影响
山墙支撑布置如图3。
考虑蒙皮效应时对刚架侧移及侧移刚度的影响见表2、表3及图4、图5。
由上述图表可以看出, 在不考虑蒙皮效应的情况下, 山墙刚架平面内有无支撑时对中间几榀刚架并无影响。考虑蒙皮效应时, 第一榀刚架通过屋面板提供的抗剪能力阻止第二榀刚架侧移。同时, 自身侧移增大, 第二榀刚架受到第一榀刚架的支持, 在自身侧移减小的同时, 通过第二、三榀间屋面板提供的抗剪能力减小第三榀刚架侧移, 以此类推, 各榀刚架相互作用, 协同工作, 刚架整体空间性能得到提高。
由此可得, 单层门刚工业厂房屋面板蒙皮效应作用的效能发挥主要依靠山墙刚架的抗侧刚度和屋面板抗剪能力。当山墙自身抗侧刚度小于5000k N/m时, 各榀刚架侧移随山墙刚度增加而下降的趋势趋缓, 可采用直线拟合, 这样在实际应用中, 当山墙抗侧刚度大于5000k N/m、考虑蒙皮效应时, 可依据山墙刚度采用线性插值计算柱顶侧移;并且柱顶侧移随结构总体刚架数量的不同而显著变化, 其中山墙变化幅度最小, 离山墙越远, 变化幅度越大。当不考虑蒙皮效应时, 各刚架柱顶侧移与结构刚架数量无关, 只与自身抗侧刚度和外荷载有关。
2.3 考虑蒙皮效应时对中间刚架内力的影响
由中间各榀刚架控制界面各内力比对表中 (见表4~表6) 可以看出, 如果考虑蒙皮效应, 在靠近端侧的梁柱左右控制截面内力之差和整体结构的主要控制截面内力最大值均有显著下降。原因是蒙皮效应使整体刚架侧移减少, 其中一侧梁、柱内力均比不考虑蒙皮效应时增加, 但刚架承受的水平荷载和竖向荷载并不改变, 因此另一侧内力会下降, 使刚架两侧内力趋同。
2.4 考虑蒙皮效应时对山墙刚架内力的影响
由山墙刚架控制界面各内力比对表 (见表7~表9) 中可以看出, 如果考虑蒙皮效应, 其左右两侧主要控制截面内力均有扩大, 这种趋势与中间榀刚架相反。原因是屋面板将中间榀刚架的一部分荷载传递给了山墙刚架, 可以认为与连续支撑体系的作用类似。
2.5 考虑蒙皮效应时对山墙支撑体系的影响
山墙支撑编号见图3山墙支撑布置。由表10可以看出, 如果考虑蒙皮效应, 山墙面内支撑应力有大幅度提高。原因是蒙皮效应使刚架所承受的部分水平力通过屋面板传递到山墙支撑体系, 可以认为与屋面支撑体系的作用类似。与之相匹配的, 山墙支撑体系杆件强度验算需要格外注意。通常设计中对水平荷载不大的由稳定控制的支撑体系, 仅控制稳定性指标而不验算其强度, 这也是前述的一部分考虑蒙皮效应的结构反而倒塌的原因之一。当有较大水平荷载 (如超过设计风载的大风、中震或大震等) 施加时, 支撑强度如果不足以抵抗这些荷载而破坏, 整个结构的蒙皮效应的有利作用在支撑破坏的瞬间消失, 部分构件内力超过设计值, 可能发生脆性破坏。因此, 计入蒙皮效应的杆件和承受蒙皮传力的支撑体系仍应由足够的安全储备或可靠的传力路线, 可以将荷载传至基础。
2.6 结论
屋面板蒙皮效应对单层门刚厂房的影响十分显著, 对中间榀刚架柱顶侧移的影响随该刚架山墙刚架距离的增加而降低, 各榀钢架柱顶侧移会将随结构刚架总数的增加而增加, 但增势趋缓。特别当山墙刚架自身抗侧刚度远大于中间榀刚架时, 结构整体内力的分配通过蒙皮 (屋面板) 实现按刚度的分配, 此时山墙刚架可通过屋面板的抗剪能力明显的限制中间榀刚架侧移, 因此在考虑蒙皮效应的刚架设计中, 山墙在其平面内需要有可靠的支撑体系或传向基础的传力路线;并且可以看到, 只有山墙抗侧刚度足够大、蒙皮抗剪能力足够强时, 蒙皮效应才能得到充分的发挥, 才能实现结构的合理性和其节约材料用量的经济型。同时, 中间榀刚架内力因为计入蒙皮效应使之在受到一侧水平力时, 侧移减小, 左右部分内力分布更加均匀, 并消减了内力的峰值。当然, 在蒙皮效应的分析中, 概念设计的方向、结构合理的传力路径以及结构构件之间可靠的连接非常重要, 本篇未加以分析论述。
3 应用价值探讨
事实上, 无论在实际设计中是否考虑蒙皮效应, 它都是客观存在的。例如, 在我国现行轻钢结构设计规程中, 对水平位移的限制较宽, 但实际上的实测值总是远小于计算值;同时, 在实际工程中, 发生过屋面压型钢板在正常工作荷载下率先发生破坏的工程事故。由此看出, 将蒙皮效应作为安全储备的设计方法有时能得到偏于安全的结果, 但有时又恰恰相反。因此, 在结构设计领域展开对蒙皮效应的系统性研究, 将其纳入设计计算体系并制定专门性的规程规范, 同时在工程实际中大力推广、广泛应用, 不仅具有极强的经济意义, 而且可以使结构的设计工作状态与实际工作状态更加一致, 这是结构设计所希望达到的最佳设计状态。
参考文献
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[3]张新中, 殷晓三, 祁术洪.蒙皮效应在轻钢建筑中的应用分析[Z].1671-3362 (2009) 02-0034-04.
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蒙皮效应原理及研究概况 篇2
目前在我国, 压型钢板还仅仅被视为维护结构, 而不考虑其参与结构的整体作用, 这是一种极大的浪费且不符合结构实际受力情况。随着轻钢结构的普及以及市场竞争的日趋激烈, 蒙皮效应受到了越来越多的关注。
2 蒙皮效应的原理
压型钢板凭借重量轻、强度高、施工方便等诸多优点, 被广泛用作各类门式刚架围护结构的墙板和屋面板。传统设计中, 只考虑了主体刚架及各类支撑的作用, 没有注意到围护结构在平面内的承载能力。实际上, 薄钢屋面、墙面等围护结构对房屋结构的整体工作性能的贡献是客观存在的。它们不仅能承受法向作用于其表面的荷载, 而且还具有可观的传递面内剪力的能力。这一围护结构平面内的抗剪能力, 被称为“蒙皮效应”。
简而言之, 蒙皮效应是指围护结构 (如屋面和墙面) 对主体结构的整体加强作用。这种效应大大加强了结构的空间整体性, 如果建筑物围护选用的是脆性材料 (如砖墙、混凝土挂板、石棉瓦等) , 在往复变向水平荷载的作用下, 产生的主轴拉应力, 迅速使围护材料出现裂缝。因此, 围护材料的抗剪刚度下降或消失, 所以, 此类建筑物不具有蒙皮效应, 或这种效应具有明显的脆性特征。如果建筑物围护选用的是延性较好的材料 (如彩钢压型钢板、铝合金压型钢板等) , 在水平力作用下, 金属压型钢板是可以承担主轴拉应力的, 在横肋的帮助下 (如檩条、次梁) , 金属压型钢板可以承担更大的主轴压应力而不出现屈曲失稳。金属压型钢板相当于蒙在结构体系上的簿膜, 檩条、次梁相当于蒙皮的横肋, 两者共同作用, 提高了结构体系承担水平荷载的能力, 增加了结构的整体稳定性。
在门式刚架中, 屋面压型钢板蒙皮效应的工作原理是:围护板与檩条以及板与板之间通过不同的紧固件连接起来, 形成了以檩条作为其肋的一系列隔板, 这种板在平面内具有相当大的刚度, 类似于薄壁深梁中的腹板, 檩条类似于薄壁深梁中的加劲肋, 板的四周连接墙梁或檩条类似于薄壁深梁中的翼缘, 可以用来传递板平面内的剪力, 承受板平面内的各种荷载作用。在斜屋面的门式刚架结构中, 屋面板的蒙皮效应帮助承受作用于屋面上的垂直荷载。当结构受到垂直荷载作用, 屋脊有向下运动、屋檐有向外运动的趋势, 但由于屋面板具有抵抗平面内变形的能力, 因此减小了这种运动趋势。在平屋面的门式刚架结构中, 屋面板也可与框架结构共同作用承受作用于结构的侧向荷载, 减小结构的侧向位移。
目前在我国轻钢结构的设计中几乎不考虑围护体系的蒙皮效应, 因为无章可循, 设计者只能设计全部荷载由框架结构承担。此种设计一方面会造成结构建造的总成本增加, 结构自重增加, 在需考虑抗震时也不利于结构抗震, 同时更为严重的是由于围护体系蒙皮效应的实际存在, 在较大侧向荷载作用于结构时, 其会同框架共同参与受力, 而设计中将其忽略会导致结构在某些情况下出现设计时未曾预料到的结构破坏。如在沿海地区常会出现在大风作用下轻钢建筑屋面板整体被掀开破坏, 破坏原因可能由于屋面板所采用的连接方式, 如暗扣咬合式的屋面板就容易在风吸力作用下脱离支托而导致破坏, 而另一个可能原因就是由于轻钢结构的设计中忽略了屋面板的蒙皮效应, 而屋面板的蒙皮效应是实际存在的, 当结构受到侧向荷载作用时, 屋面板与框架体系共同承担荷载, 由于设计中没有考虑应力蒙皮效应而进行连接件的选用及布置, 一旦结构承受侧向荷载足够大时, 则屋面板与檩条连接处或板板连接处的连接件就会因所承受荷载超过其承载能力, 而出现板撕裂、连接件拔出等破坏, 最终导致屋面板整体破坏。综上所述, 有效应用轻钢建筑中围护体系的蒙皮效应不仅可在经济上带来效益, 同时使得结构设计更为合理, 更符合结构实际受力状态, 更能保证结构使用安全, 因此在我国对于围护体系蒙皮效应问题的研究迫在眉睫。
3 蒙皮效应产生的条件
研究结果表明, 要使蒙皮能够真正地发挥作用, 构造上必须满足以下条件。
(1) 必须设置足够的结构构件和连接件, 以保证应力蒙皮作用能够传递到框架结构上, 最后传递给基础, 明确并保证传力途经;
(2) 相邻面板之间的接缝应采用焊接、铆接或自攻螺栓等紧固件固定, 要求使用期间紧固件不得松动、拔出, 在板材撕裂前不得出现剪切破坏。这也是影响蒙皮作用的重要因素;
(3) 每块面板的两端均应直接固定在支撑构件上, 其固定方法可以采用焊接或者通过自攻螺栓、射钉、螺栓等紧固件, 要求使用期间紧固件不得松动、拔出, 在板材撕裂前不得出现剪切破坏;
(4) 沿着蒙皮板的跨度方向, 所有的蒙皮板均应设置边缘构件, 这些构件及其连接的节点应该具有足够的强度, 能承担蒙皮作用产生的翼缘内力。同时在实际应用中还要特别注意:①仅考虑蒙皮作为梁腹板的抗剪作用, 其弯曲变形忽略不计;②规定的设计构造要求应与试验条件相同。在设计中一旦考虑蒙皮效应, 就要保证其作用环境, 视同整体结构作用构件, 不得随意拆除。
4 国内研究概况
我国在这方面的研究开展得比较晚。近十余年来, 随着我国钢产量的增长, 压型钢板及其相关技术的发展, 以压型钢板作为围护体系的钢结构建筑逐渐得到了推广, 这为我国对于压型钢板应力蒙皮效应的研究提供了基础。从上世纪八十年代中期开始, 国内许多学者在这方面开展了大量的研究工作, 并取得了较大的科研成果。
1985年, 哈尔滨建筑工程学院张耀春教授对V-115压型钢板进行了蒙皮基本性能试验研究。1987年, 在冷弯薄壁型钢结构规范管理组的支持下, 成立了冷弯型钢蒙皮结构研究课题组, 分别在哈尔滨建筑工程学院、南京建筑工程学院、重庆建筑工程学院和冶金部建筑研究总院积极开展试验研究工作。
张耀春教授的科研梯队陆续对蒙皮效应问题进行了一系列的研究, 研究了自攻螺钉连接的受力蒙皮组合体的平面抗剪性能, 进行了大小尺寸试件的对比试验, 提出了非对称受力模型概念, 并给出了强度和刚度的简化公式。武振宇等采用悬臂梁试验对多跨檩条的蒙皮体性能进行了试验研究, 研究檩条数量对蒙皮体抗剪强度的影响, 提出了分析边部板件应建立非对称受力模型的建议。
与此同时南京建筑工程学院进行了一系列轻钢结构蒙皮效应的理论和试验研究。柏树新等采用将压型钢板等价为正交各向异性板的有限元方法, 分析了国产压型钢板组成的受力蒙皮, 分析结果与试验结果较为吻合, 验证了该思路的正确性, 同时研究了受力蒙皮连接件的内力分布规律。乐延方等对受力蒙皮结构中的自攻螺钉、拉铆钉连接进行了大量试验, 分析了连接构件的抗剪强度、抗剪刚度、工作特点、破坏模式以及连接件布置方式、压型钢板跨度对受力蒙皮体性能的影响, 并对承受平面内荷载的蒙皮体进行了试验研究。
重庆大学也开展了蒙皮方面的系列研究, 对国内常用的屋面、墙面板进行了电弧点焊接及自攻螺丝连接受力蒙皮体抗剪性能的试验与分析研究, 并对压型钢板采用电弧点焊连接的受力蒙皮抗剪强度和抗剪刚度进行计算和可靠性分析。李文等进行了屋面高波压型钢板蒙皮作用的试验研究, 指出高波压型板屋面具有明显的整体蒙皮效应, 板侧连接件和高波板下的承托支架对蒙皮的横向刚度起有利的影响。汤征等采用美国标准试验方法ASTM-455E-7规定的试验方法对四种不同的板型组成的蒙皮体进行了抗剪性能试验研究, 描述了压型钢板的变形特点, 介绍了应力蒙皮变形的计算方法, 并提出了轻钢结构房屋蒙皮设计的一些构造措施。高层钢结构设计时侧移起控制作用, 利用压型钢板的蒙皮效应减小高层钢结构的侧移是一个很有经济意义的课题。完海鹰等用有限元方法对高层钢结构的蒙皮效应进行了研究, 在计算分析中将压型钢板等效成为正交各向异性平板, 并对其引入壳体概念。
以上研究均为荷载作用下对蒙皮体整体抗剪性能的研究, 而蒙皮体中连接件性能对其抗剪强度、抗剪刚度的影响相当重要, 故一些学者对连接件的抗剪性能进行了分析。
但是, 目前我国实际设计中采用的规范对蒙皮效应并没有定量的计算规则。如《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》 (CECS 102:2002) 第5.1.2条提到:变截面门式刚架宜按平面结构分析内力, 一般不考虑应力蒙皮效应。但有必要且有条件时, 可考虑屋面板的应力蒙皮效应。
相应的条文说明解释。考虑应力蒙皮效应只适用于面板为钢板的情况, 此时屋面压型钢板可视为起应力蒙皮作用的膈板。膈板的作用是, 通过其刚度和抗剪承载力来提高刚架结构的整体刚度和承载力。屋面板可按沿房屋全长伸展的深梁处理, 用来承受平面内荷载并将其传至端部山墙或中间刚架。面板可视为承受平面内横向剪力的腹板, 其边缘构件可视为翼缘, 承担轴向拉力和压力。当符合下列条件时, 方可将面板视为结构的一部分进行应力蒙皮设计。
(1) 面板除承担主要功能外, 只能用作为抗剪隔板抵抗其平面内的位移;
(2) 这种隔板必须有纵向边缘构件, 以承担由于隔板作用引起的翼缘力;
(3) 屋面板平面内的力, 应通过支撑系统、其他蒙皮隔板或抗侧移方法传至基础;
(4) 应采用适当的连接将隔板中的力传至主刚架, 隔板应与起翼缘作用的边缘构件相连;
(5) 面板作为受力构件处理时, 不得将其随意拆除;
(6) 对房屋的各项技术要求, 均应考虑到该建筑物的设计利用了应力蒙皮作用。
应力蒙皮膈板应主要用于抵抗风荷载、雪荷载和其他通过面板传递的荷载。它也可用来抵抗较小的瞬时荷载 (如来自轻轨道式吊车的荷载) , 但不能用于承担永久性外荷载。
《冷弯薄壁型钢结构技术规范》 (GB50018-2002) 第4.1.10条提到:当采用不能滑动的紧固件连接压型钢板及其支撑构件形成屋面和墙面等维护体系时, 可在单层房屋的设计中考虑受力蒙皮作用, 但应同时满足下列要求:
(1) 应由实验或可靠的分析方法获得蒙皮组合体的强度和刚度参数, 对结构进行整体分析和设计。
(2) 屋脊、檐口和山墙等关键部位的檩条、墙梁、立柱及其连接等, 除了考虑直接作用的荷载产生的内力外, 还必须考虑整体分析算得的附加内力进行承载力验算;
(3) 必须在建成的建筑物的显眼位置设立永久性标牌, 标明在使用和维护过程中, 不得随意拆卸压型钢板, 只有设置了临时支撑后方可拆换压型钢板, 并在设计文件中加以规定。
如上所述, 是国内规范对蒙皮效应相关概念、内容的主要界定。由于规范不同, 定义的侧重点是有所不同的。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》重点规定了蒙皮效应的构造要求, 限定了蒙皮效应只适用于屋面压型钢板。《冷弯簿壁型钢结构技术规范》重点阐述蒙皮效应受力模型。各类规范都强调了可靠的、有效的、不能滑动的紧固件连接压型钢板, 是应用蒙皮效应的必要条件。
5 结束语
对于建筑结构来讲, 蒙皮效应是指围护结构 (主要是屋面和墙面) 对主体结构的整体加强作用, 这种效应大大加强了结构的空间整体性。蒙皮效应受很多条件影响, 很难明确地进行量化, 不同的工程情况下, 蒙皮效应的作用也不同, 工程中只将其作为一种结构上的储备。经过理论分析和工程实践验证, 蒙皮效应己经广泛地被人们所接受。
摘要：轻钢结构中, 压型钢板在其自身平面内具有很大的抗剪能力。其参与结构整体受力, 对主体结构有加强作用, 大大提高了结构的空间整体性, 这被称为压型钢板的蒙皮效应。本文主要介绍了蒙皮效应的原理、蒙皮效应产生的条件及国内研究概况。
关键词：蒙皮效应,轻钢结构,原理
参考文献
[1]张新中, 殷晓三, 祁术洪.蒙皮效应在轻钢建筑中的应用分析[J].深圳土木与建筑, 2009, (3) .
骨骼蒙皮动画设计与实现 篇3
骨骼蒙皮动画技术是到目前为止使用最为广泛的实时角色动画技术。骨骼蒙皮动画技术的核心思想是用一系列的骨骼带动一张皮肤来产生动画, 实现的方法是用一个已定义的角色模型的骨骼序列驱动这个角色模型的网格以产生动画, 骨架层由人体关节以及关节之间的骨骼段构成, 它表示人体的基本结构, 一般使用树状关节链表示;皮肤层是用平面片或曲面片组成的三维表面网格, 即皮肤网格, 最常见的是由三角形面片组成的皮肤网格。
2. 骨骼蒙皮动画技术简介
在骨骼蒙皮动画中, 一个角色由作为皮肤的单一网格模型和按照一定层次组织起来的骨骼组成。骨骼层次描述了角色的结构, 就像关节动画中的不同部分一样, 骨骼蒙皮动画中的骨骼按照角色的特点组成一个层次结构。相邻的骨骼通过关节相连, 可以作相对运动。通过改变相邻骨骼间的夹角、位移, 角色就可以做出不同的动作, 实现不同的动画效果。皮肤则作为一个网格蒙在骨骼之上, 规定角色的外观。皮肤上每个顶点受到一块或多块骨骼的影响, 不同的骨骼按照与顶点的几何、物理关系确定对该顶点的影响权重, 这一权重可以通过建模软件计算, 也可以手工设置。通过计算影响该顶点的不同骨骼对它影响的加权, 就可以得到该顶点在世界坐标系中的正确位置。动画文件中的关键帧一般保存着骨骼的位置、朝向等信息。通过在动画序列中相邻关键帧之间进行插值可以确定某一时刻每根骨骼的方位, 然后按照皮肤网格各个顶点中保存的影响它的骨骼索引和相应权重信息求加权和, 便可以计算出该顶点的新位置。为了运转起来, 每个骨骼都有两个相关的变换, 其一是本地变换, 也就是在自己空间内的位置和角度, 在简单的模型里一般都是个单位矩阵。其二是积累变换, 它表示每个骨骼在整个骨架空间的摆放情况, 可能是旋转和位移的组合矩阵。有时为了节省空间, 这些矩阵通常用四元数向量存储 (四元数对关键帧的插值方便, 能产生更圆滑的动画效果) , 这样就实现了在骨骼驱动下的单一皮肤网格变形动画, 即骨骼蒙皮动画。
3. 骨骼蒙皮动画的设计
3.1 设计步骤
骨骼蒙皮动画包含三个主要的步骤:第一步是建模, 建立角色模型, 为参数化控制做准备。使用3D Max软件制作骨骼和皮肤网格, 使用MilkShape 3D导出MD5格式的数据文档;第二步是骨骼皮肤绑定, 创建骨骼节点的包围盒, 负责完成骨骼节点数据和皮肤数据的绑定;第三步是骨骼蒙皮动画的运动生成, 需要运用正向运动学、矩阵运算、四元数球面差值等基础理论。
3.2 设计思想
骨骼蒙皮动画的基本设计思想就是首先控制各个骨骼和关节, 再使附在上面的皮肤与其匹配。在一个典型的骨骼蒙皮动画模型文件中, 会保存如下信息:网格信息, 骨骼信息和动画信息。网格信息是角色的多边形模型, 该多边形模型一般由三角形面片组成, 每一三角形面片有三个指向模型的顶点表的索引。通过该索引, 可以确定该三角形的三个顶点。顶点表中的每一顶点除了带有位置、法向量、材质、纹理等基本信息外, 还会指出有哪些骨骼影响了该顶点, 影响权重又是多少。影响一个顶点的最大骨骼数一般取决于模型的设计和目标硬件平台的限制。在一个典型的骨骼蒙皮动画中, 一个动画文件里可能存储了多个动作动画集合, 这些动作动画集合对应由模型的骨骼采取各种变换而得, 在读取动作动画集合时需要给出动作动画集合的名字, 或者这个动作动画集合在动画文件中的存储序号, 才可以读取到这个动作动画集合。这些动作动画集合在动画存储文件中又被分为多个动作动画, 每个动作动画对应由模型的一块骨骼采取各种变换而得, 一个动作动画集合包含的动作动画的数目, 由骨架包含的骨骼的数目而定, 实际上, 一个动作动画集合包含的动作动画的数目和骨架包含的骨骼的数目是相等的。一个动作动画在动画存储文件中又被分为多个关键帧, 每个关键帧存储了具体的动作数据, 实际上这些数据是这个骨骼节点位置数据。每个骨骼节点都要判断是否有父节点, 需要乘上父骨骼节点的位置和旋转状态。网格顶点中保存了受到那些骨骼的影响和影响的权重值, 通过公式即可算出新顶点的位置和朝向。图1为实现的流程:
在播放动画序列中的任一时刻:
1) 首先确定该时刻之前和之后的两个关键帧, 然后按照该时刻与前后两个关键帧时刻的时间值插值计算出该时刻该骨骼相对于父骨骼的新位置、新朝向、新变换矩阵等等。
2) 然后从根骨骼开始遍历骨架, 计算每一个骨骼相对于世界坐标的变换矩阵。计算该矩阵是一个递归过程。
3) 对于皮肤网格中的每一个顶点, 计算它在世界坐标中新的位置和朝向。首先找到影响该顶点的所有骨骼节点, 然后计算每一骨骼对该顶点的影响 (也就是说, 计算在该骨骼独立作用下顶点的新位置) 。计算按照顶点计算公式顶点的新位置=骨骼的世界变换矩阵*最初状态骨骼世界变换矩阵的逆矩阵*最初状态顶点的位置
然后将所有这些新位置按照每一骨骼节点的影响权重加权求和。所有权重的和应该恰好为1。皮肤网格里所有的顶点是相对于一个原点存储的, 这个原点是网格皮肤的原点, 而不是骨骼的自身坐标系原点, 如果要得到骨骼对皮肤的影响, 应该把顶点转换到骨骼的局部坐标系统空间, 然后再用新的转换把它们转换回皮肤坐标空间。在公式中, 最初状态顶点的位置首先要与最初状态骨骼世界变矩阵的逆矩阵相乘, 就是把绑定姿势的皮肤空间的顶点转换到相应得的骨骼空间中, 然后利用骨骼的积聚变换矩阵把顶点从骨骼空间重新转换到皮肤空间。顶点朝向按照相同方式计算。
4) 根据网格模型顶点的新位置和朝向绘制角色皮肤网格。
4. 结论
设置骨骼的运动信息, 带动影响范围内的顶点运动, 从而形成动画。关键帧之间使用插值计算各个骨骼位置。动画信息文件都是用MD5 Anim格式文件保存的, MD5 Anim文件含有该动作所涉及到的骨骼关节的动画信息。
考虑到系统模型的复杂度高, 运算量大等问题, 如果将周期运动分解成多个必达的状态, 势必增大插值的运算量, 进而整个系统的运算复杂度都会增大。所以, 本文行走设计的关键帧为六帧, 第一帧是双脚支撑状态, 第二帧是右脚支撑, 左脚即将抬起状态, 第三帧是右脚支撑状态, 第四帧是双脚支撑状态, 第五帧左脚支撑, 右脚即将抬起状态, 第六帧是左脚支撑状态, 其余是过渡帧, 关键帧的示意图如图2所示:
经过处理的骨骼蒙皮动画运用于具体场景实现虚拟人的行走, 效果如图3所示:
参考文献
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蒙皮效应设计 篇4
蒙皮是构成飞机气动外形的关键零件, 其成形质量直接关系到飞机的装配精度和使用寿命[1]。蒙皮主要采用拉伸成形 (简称拉形) 工艺制造, 拉形过程涉及拉、弯、压、扭、顶各种成形动作, 这些动作是通过数控拉形设备机构运动来实现的。
为了提高蒙皮拉形质量和制造水平, 国内航空企业引进了大量的先进数控蒙皮拉形设备。由于工厂仍以工人经验和试拉的生产方式为主, 使得先进数控设备的效能无法充分发挥, 蒙皮零件质量不易保证[2], 因此, 急需探索科学的蒙皮数控拉形位移加载设计和分析方法。随着数值模拟技术在蒙皮拉形领域的应用[3,4,5], 国内外学者对蒙皮数控拉形位移加载及其仿真分析进行了研究[6,7]。这些研究将夹钳运动和机构运动分割开来, 分析过程只考虑夹钳运动, 机构运动则依据夹钳运动反解。对于复杂的机构运动, 这种方法反解难度很大;对复杂形状蒙皮的拉形, 只考虑简化的夹钳运动, 不通过机构运动来实现拉形过程, 板料的初始弯曲、扭转等变形过程无法考虑, 不能合理反映卸载和反向加载等情况[8], 研究和生产受到很大限制[9]。为此, 本文提出一种新的位移加载求解方法, 基于数值模拟方法将数控拉形设备机构运动与板料变形过程结合起来, 直接设计机构运动的位移加载。考虑到机构运动方式与具体数控拉形设备紧密相联, 本文以VTL1000数控蒙皮拉形机纵拉设备作为分析对象。
1 蒙皮数控拉形机构运动数值模型
1.1机构运动简化
VTL1000数控蒙皮拉形设备系美国Cyril Bath公司生产, 为复杂的空间串连结构, 其纵拉机构简图如图1所示, 蒙皮拉形过程中能够实现的机构运动包括:①托架平移;②U形臂摆动;③拉伸筒拉伸;④夹钳旋转;⑤夹钳回转;⑥子夹钳相对运动 (夹钳曲线) ;⑦模具上顶。
1.2数值模型
在CATIA中建立VTL1000纵拉设备的数字样机, 数字样机的尺寸来源于设备的图纸, 与运动相关的关键尺寸准确、齐全。对一些非关键的设备, 如基座等在建模时进行简化。以数字样机为基础在ABAQUS中建立其数值模型 (图2) , 数控拉形设备采用刚体和壳单元;运动副关系采取与实际运动一致的机构运动。将数值模型与实际拉形设备的机构运动进行对比, 二者位移控制误差在1.5mm以内, 运动误差在工程范围内是有效的。所建数值模型为复杂蒙皮零件的纵拉分析提供了平台和手段, 同时, 方便输出机构运动与加载的控制命令。
2 位移加载设计
机构运动的加载量决定了蒙皮的变形状态及变形过程, 直接影响蒙皮零件的成形质量。因此, 机构运动加载的设计至关重要。本文基于VTL1000纵拉设备设计拉形过程中每个工步终了位置的机构运动状态, 作为数值模拟的边界条件。
2.1夹钳调整方法
夹钳夹持的状态对板料变形的几何外形有着直接影响。下面先给出夹钳回转、夹钳旋转、夹钳曲线的确定方法。
(1) 夹钳回转角设计。
根据模具两端与纵向平面的夹角确定夹钳回转角, 如图3所示。
(2) 夹钳旋转角设计。
如图4所示, 夹钳整体绕主轴X在YZ面内旋转, 旋转中间子夹钳空间位置, 使中间子夹钳夹持的部分板料与对应模具端面轮廓区域相一致。
(3) 夹钳曲线设计。
中间子夹钳旋转角调整后, 其他子夹钳以中间子夹钳为准, 依次绕相邻子夹钳相对转动形成曲夹钳, 曲夹钳形成参数根据模具端面特征截面线采用曲线拟合方法计算[2], 使曲夹钳与模具端面轮廓吻合, 便于板料贴模, 如图5所示。
2.2拉形过程位移加载设计
图6所示为纵拉过程, 拉形主要采用两种工艺, 即拉包 (图6a～图6e) 和包覆 (图6a、图6b、图6d、图6e) 工艺, 本文将二者的解析过程统一起来。下面通过中间子夹钳、拉伸筒、托架等给出整个拉形过程中机构运动的分析、设计方法 (取中间子夹钳所在的纵向截面来进行分析) 。
(1) 机构初始位置 (图6a) 。
左右托架距离中心对称面的距离为C0, 左右U形臂摆动角u0=0, 左右拉伸筒伸长量为J0, 模具工作台离基准面距离为H0。
(2) 工装状态 (图6b) 。
模具工作台运动到离基准面距离为h (即模具最高点到模具底座的高度) 处, 左右托架运动到距离中心对称面的距离分别为Cl、Cr处, 左右U形臂摆动角仍为u0=0, 左右拉伸筒伸长量分别为Jl、Jr。板料置于夹钳中夹紧, 其长度为L0。
(3) (预) 拉伸 (图6c) 。
托架、U形臂、模具工作台不动, 拉伸筒两边分别缩短ΔJ0 (负数) , 则板料的预拉伸率e0为
e0=-2ΔJ0/L0 (1)
式 (1) 中, 预拉伸的加载量ΔJ0与材料屈服点相关, 因为预拉伸变形只有使板料发生屈服才对回弹有抑制效果[10], 文献[11]给出的板料预拉伸率范围为0.2%～0.5%。
(4) 包覆 (图6d) 。
包覆过程中, 作用在板料上力的方向与模面时刻相切, 同时, 拉伸筒以恒力作用, 直至完全包覆。该过程中, 托架保持不动, 模具工作台上顶, 上顶相对量为ΔH, 左右U形臂摆动, 摆动角分别为ul、ur, 板料两端所夹持的拉伸筒随之伸长, 左右拉伸筒相对伸长量分别为ΔJl、ΔJr。根据图6d左右两边所形成的直角三角形, 可得
Hl=hl- (h-ΔH) (2)
Hr=hr- (h-ΔH) (3)
Hl= (Jl+ΔJ0+ΔJl+Lm) sin ul (4)
Hr= (Jr+ΔJ0+ΔJr+Lm) sin ur (5)
Hl= (Cl-d/2) tan ul (6)
Hr= (Cr-d/2) tan ur (7)
包覆过程中, 板料不发生拉伸变形, 且以最高点为分界, 板料两边长度保持不变, 有
Cl-m-Jl-ΔJ0=Lm+llc (8)
Cr+m-Jr-ΔJ0=Lm+lrc (9)
(5) (补) 拉伸 (图6e) 。
托架、U形臂、模具工作台都不动, 拉伸筒两边分别缩短ΔJe (负数) 。假设板料为均匀拉伸, 则板料伸长率为
e=-2 (ΔJe/L0) (1+e0) (10)
已知模具信息h、hl、hr、d、ul、ur、m、llc、lrc和板料悬空段尺寸设计参数Lm, Lm取值可参考文献[12]。8个方程为式 (2) ～式 (9) , 9个未知数为Jl、ΔJl、Jr、ΔJr、Cl、Cr、ΔH、Hl、Hr, 其中, Hl、Hr为中间变量。结合实际拉形情况, 给出解的说明。模具工作台相对上顶量ΔH要使板料包覆于模具两端, 并且能够满足拉伸量的要求, 由式 (2) ～式 (5) 可得约束方程为
对式 (2) ～式 (9) 及式 (11) 求解, 从而确定各机构运动的位置及动作;再根据板料拉伸率要求, 通过式 (10) 可得到 (补) 拉伸阶段的拉伸筒相对运动量。若采用包覆工艺拉形, 则求解时e0=0 (即ΔJ0=0) 。
3 实例分析
某型号飞机翼身融合侧蒙皮零件CAD模型如图7所示。该零件厚1.5mm, 材料为7B04-T3, 纵向 (x方向) 外凸, 横向 (y方向) 有凸有凹, 采用纵拉成形。工厂生产中由于加载设计不合理, 导致该零件拉形结束后横向凹处贴模度不达标。
零件采用包覆工艺成形, 通过上述设计方法, 确定拉形的机构运动位移加载量, 并以工艺表形式给出, 如表1、表2所示。按所得位移加载量进行虚拟拉形 (图8) , 零件部位 (未切变) 等效应变分布均匀 (图9) 。根据所得位移加载量进行该零件的试生产 (图10) , 经检验, 零件未发生破裂, 贴模度≤0.5mm, 零件满足质量要求。
4 结束语
为了提高蒙皮拉形分析与制造水平, 充分发挥先进数控拉形设备的效能, 针对数控拉形机蒙皮拉形工艺设计和仿真分析的不足, 提出了拉形机机构运动位移加载的计算方法和考虑机构运动的数值模拟分析方法, 拓宽了蒙皮拉形研究的范围。通过对VTL1000数控拉形机和具体零件的拉形分析, 为蒙皮拉形设计、分析、制造的一体化提供了新方法。该方法能够拓展到其他类型数控蒙皮拉形设备的蒙皮拉形位移加载设计、分析和应用中。
摘要：针对蒙皮拉形工艺设计、数值模拟与数控拉形设备高效结合的问题, 提出板料变形与数控拉形设备机构运动相耦合的位移加载设计方法。基于数控拉形设备VTL1000建立蒙皮数控拉形数值分析模型;采用几何解析方法推导板料变形与机构运动位移加载的关系, 将关系解作为数值模拟的边界条件。用研究实例证明该方法具有较高的精度和较强的工程实用性。
关键词：蒙皮,数控拉形,位移加载,数值模拟
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