FRP在空间结构中的应用和受力性能分析

纤维聚合物（Fiber Reinforced Polymer,以下简称FRP）在空间结构中的应用,是国内外土木工程界的前沿课题之一．FRP的自重轻、耐腐蚀和材料可设计性的优点,奠定了其在大跨度空间结构中应用的基础．在国内外相关资料的基础上,综述了FRP管（杆）、FRP层合板和FRP轻质屋盖在空间结构中的工程应用和研究现状,并对采用GFRP复合材料层合板的板锥网壳结构受力性能进行了分析,分析表明：板锥网壳结构采用GFRP复合材料新型板材具有更大的优越性;最后提出了需进一步研究的问题和展望．     

板锥网壳结构的受力性能分析

采用组合结构有限元法详尽分析了板锥网壳结构的受力特性,并与普通双层网壳结构进行了比较,分析结果表明,板锥网壳结构受力性能合理,比双层网壳结构具有更大的优越性。     

板锥柱面网壳的静力特性影响因素分析

板锥网壳结构是一种受力性能合理的新型空间结构形式。采用组合结构有限元法对板锥柱面网壳的静力特性影响因素进行了详尽的分析,着重研究了结构形式、几何参数和边界条件对板锥柱面网壳静力特性的影响。分析结果表明,形式不同的板锥柱面网壳,结构的变形规律及内力分布规律相去甚远,对于同一型式的板锥柱面网壳,仍因其几何外形,尤其是矢跨比的不同有不同的结构反应。板锥柱面网壳是边界条件敏感型结构,边界约束条件的细微变化将有可能使结构产生相当大的变化。因此,了解影响板锥网壳结构静力特性的因素是十分重要的。     

板锥柱面网壳结构自振特性分析

板锥柱面网壳结构是一种新型的空间结构，此类结构受力合理、整体刚度大、稳定性好，是一种具有广阔发展前景的结构型式。本文基于有限元方法，采用子空问迭代法，研究板锥柱面网壳结构的自振特性；考虑不同跨度、矢跨比、长跨比、网格尺寸对其自振特性的影响；在大量参数分析、计算的基础上，得出了网壳的自振规律，为板锥柱面网壳结构的应用和设计提供理论指导。     

板锥柱面网壳结构自振特性分析

板锥柱面网壳结构是一种新型的空间结构,此类结构受力合理、整体刚度大、稳定性好,是一种具有广阔发展前景的结构型式。本文基于有限元方法,采用子空间迭代法,研究板锥柱面网壳结构的自振特性;考虑不同跨度、矢跨比、长跨比、网格尺寸对其自振特性的影响;在大量参数分析、计算的基础上,得出了网壳的自振规律,为板锥柱面网壳结构的应用和设计提供理论指导。     

板锥网壳结构的实用计算方法

对板锥网壳结构提出了一种实用的简化计算法－－等代空间杆系法，通过能量法确定等代杆侏的等效面积，即可采用现有的空间网格设计软件对其分析，该法计算简便并具有一定的计算精度，可用于板锥网壳结构的初步设计。     

三角形层合板单元及应力解的杂交化后处理

基于一阶剪切变形理论（FSDT），构造了一个新型无闭锁的三角形复合材料层合板单元CGCLLM-T9，并根据Hellinger-Reissner变分原理，运用应力杂交化后处理方法来改善此位移型复合材料板单元所得应力解的精度，使得此单元能够简单、准确地预测出层舍板的应力，特别是层间横向剪应力，本单元可适用于复杂边界问题．数值算例表明，此单元不仅自由度少，列式简单，且可以得到较高精度的位移解和应力解；是一种性能较好的厚薄板通用的复合材料层合板三角形单元．     

复合材料层合板低速冲击损伤阻抗性能影响因素研究

基于复合材料层合板的结构特点及典型损伤和破坏模式,建立了基于ABAQUS有限元软件的复合材料层合板低速冲击模型.与实验数据对比结果表明,该模型可以准确地模拟复合材料层合板低速冲击损伤阻抗特性.采用该有限元模型,研究复合材料层合板的铺层材料面内性能和铺层角度等参数对其在低速冲击作用下损伤阻抗性能的影响规律.分析结果表明,提高铺层纤维方向拉伸模量可明显提升其抗冲击损伤能力,在复合材料层合板中增加±45°铺层数量能明显提升其抗分层能力,而提高其它方向弹性模量对复合材料层合板低速冲击损伤阻抗性能的影响不明显.     

含分层复合材料层合板的高阶有限元分析方法

本文以勒让德多项式逼近位移场沿板厚度方向的变化规律，考虑了含分层损伤复合材料层合板分层区域的横向剪应力分布，对层合板分层区域的刚度进行了修正，并在此基础上建立了分层损伤复合材料层合板的高阶有限元模型，编制了相应的计算程序，分析了分层损伤对复合材料层合板合板弯曲变形和应力的影响。     

大跨度拱支网壳结构体系及静力性能研究

拱支网壳结构体系是在综合了网壳(网架)及拱结构等的优点的基础上,构思出的一种新型大跨空间结构形式．论述了该结构形式的合理性,提出了该结构体系具有代表性的多种结构形式．再与纯单层网壳对比,就该结构体系的静力性能进行比较分析,并对三个缩尺模型的静力稳定作了试验研究．结果表明该杂交结构能充分发挥两种结构形式的受力特点,整体受力性能在极限承载力、缺陷敏感性、结构延性等方面都得到明显改善,显示出该新型杂交结构体系将具有较广阔的应用前景．     

考虑损伤累积的圆钢管本构模型力学行为特点与数值分析

由于单层网壳结构主要以圆钢管为主,因此圆钢管本构模型更适用于研究单层网壳结构的力学行为。为探究材料损伤累积对单层网壳结构动力响应的影响,本文以圆钢管考虑损伤累积的本构模型为研究对象,通过与Prandtl-Reuss材料本构模型在屈服准则、弹性刚度矩阵、弹塑性刚度矩阵、加载准则、流动法则及应力跌落等方面的对比,分析其力学行为特点,给出其数值积分格式,并基于有限元软件ANSYS开发了考虑损伤累积的用户材料子程序,采用该子程序研究了单层网壳在强震作用下的动力响应。结果表明：Prandtl-Reuss材料模型高估了单层网壳结构的抗震性能,考虑材料损伤累积的结构失效时,结构动力极限荷载相比于P-R模型降低了12.24%,绝大多数杆件全截面屈服,形成大量塑性区带;损伤累积效应一方面会降低结构的动力极限荷载,扩大损伤分布,加深损伤程度,加速结构破坏进程,另一方面也将造成结构的失效模式由动力失稳向强度破坏转变。本文基于有限元软件ANSYS开发的考虑圆钢管损伤累积的材料子程序具有较高的计算精度,且其数值积分策略及用户材料子程序有效、可行,能够为单层网壳结构的抗震性能提供更加精确的分析与工程设计。     

K6角锥体系球面网壳参数化设计与受力特点分析

以K6型正、倒放三角锥体系球面网壳为研究对象,采用ANSYS软件自带参数化设计语言APDL,研制了参数化设计宏程序;实现了给定网壳跨度S、矢高F、环向对称区域份数Kn、径向节点圈数Nx等参数下,该类球面网壳的参数化建模与设计;并对其受力特点进行了分析,研究了这两类K6型球面网壳结构位移和应力分布变化规律.结果表明：（1）在跨度S、矢高F相同的情况下,可以通过增加径向节点圈数Nx的方法来提高整体结构的刚度和强度;（2） K6正放与倒放三角锥球面网壳相比,K6正放三角锥球面网壳的刚度较高,它是工程中优先选用的一种结构形式.     

网壳结构火灾反应非线性有限元分析

采用欧洲钢结构协会推荐的钢材高温材料模型确定了钢材的弹性模量和极限强度。通过对导热微分方程进行数值求解,确定了结构钢构件内部的温度场。在此基础上,采用非线性有限元方法分析了空间网壳结构的火灾反应。结果表明,在火灾作用下,网壳结构的承载力迅速降低并最终导致结构的倒塌。     

Wind-induced vibration of single-layer reticulated shell structures

Aiming at the dynamic response of reticulated shell structures under wind load, systematic parameter analyses on wind-induced responses of Kiewitt6-6 type single-layer spherical reticulated shell structures and three-way grid single-layer cylindrical reticulated shell structures were performed with the random simulation method in time domain, including geometric parameters, structural parameters and aerodynamic parameters. Moreover, a wind-induced vibration coefficient was obtained, which can be a reference to the wind-resistance design of reticulated shell structures. The results indicate that the geometric parameters are the most important factor influencing wind-induced responses of the reticulated shell structures; the wind-induced vibration coefficient is 3.0 - 3.2 for the spherical reticulated shell structures and that is 2.8 - 3.0 for the cylindrical reticulated shell structures, which shows that the wind-induced vibration coefficients of these two kinds of space frames are well-proportioned.     

圆台大端纤维的拔出力分析

贝壳珍珠母中的文石片具有中间薄两端厚的特殊形貌,受此启发,把复合材料中的纤维设计成两端部为圆台状的大端异型体,可使复合材料的强韧性得以改善。本文考虑均匀分布和含量相同的圆台大端纤维和平直纤维增强复合材料,利用剪滞理论分别计算了2种纤维的与材料强韧性密切相关的拔出力。计算结果表明:圆台大端纤维的最大拔出力明显大于平直纤维的最大拔出力;基体和纤维的材料常数以及几何尺寸对最大拔出力有较大影响;在不改变基体和纤维物性时,只要合理选取形体优化设计的圆台大端纤维以及适当增加界面摩擦系数,也可使复合材料的强韧性增大。     

石板冲击凿入的变形与破坏规律研究

对花岗岩板进行了低速冲击凿入实验．实验表明：石板在冲击凿入时主要产生径向裂纹和锥形裂纹，径向裂纹由侵入点的背面向外向正面发展，锥形裂纹由冲击点向背面发展；径向裂纹主要是由局部挠曲产生的，锥形裂纹是由赫兹接触拉应力产生的．由于石板的尺寸有限，锥形裂纹可以发展到石板背面，石板上被冲出小锥体；径向裂纹可以导致石板整体破坏．由于局部挠曲和破裂的相互斗争，石板的冲击凿入载荷-侵深曲线为双驼峰形．     

基于神经网络算法的大跨度双层扭网壳的设计

应用误差反向传播的人工神经网络技术对大跨度双层扭网壳进行设计,双层扭网壳的跨度在50~80 m之间变化,训练了估算双层扭网壳的最大挠度、重量和杆单元横截面面积的神经网络。为减少数据的非线性和提高训练速度,形成了特殊的数据排序方法。这种方法提供了必要的稳定性。本文研究表明应用神经网络技术对双层网壳结构进行设计是可行的。