半刚性节点单层球面网壳抗震性能

为了研究由多根螺栓现场拼装而成的半刚性节点单层球面网壳的抗震性能及其抗震设计方法,利用节点的弯矩-转角曲线对凯威特型螺栓球节点单层球面网壳的抗震性能进行了较为系统的分析,包括其自振特性及杆件地震内力系数随矢跨比、跨度、屋面质量、杆件截面、地震波、节点弯曲刚度等参数的变化规律,通过大规模参数分析,给出半刚性节点单层球面网壳的地震内力系数取值,提出基于地震内力调整系数的半刚性节点单层球面网壳的实用抗震设计方法.     

半刚性节点单层球面网壳的弹塑性稳定性分析

为了研究半刚性节点单层球面网壳的稳定性能,提出其适用的分析方法,利用大型有限元软件ANSYS建立螺栓球节点的实体模拟方法和半刚性节点单层球面网壳的数值模型.通过试验数据与数值分析结果的比较,证明方法的可行性,进而模拟工程中常用的螺栓球节点,求得其弯曲刚度,对30 m跨度的螺栓球节点单层球面网壳进行稳定性分析.结果表明:节点的弯曲刚度不同时,网壳的稳定性能及其失稳模态变化明显;节点的扭转刚度和节点域不同时,网壳的稳定性能基本没有变化;荷载分布不同时,网壳的稳定性能发生改变.节点的弯曲刚度和不同的荷载分布形式是影响单层半刚性球面网壳稳定性能的重要因素.     

螺栓球节点试验及在单层网壳结构中的应用性

为充分利用螺栓球节点的抗弯刚度,实现其在单层网壳结构中的应用,针对螺栓球节点开展力学试验研究,配合以精细化的有限元分析,获得节点的抗弯性能,并采用弯矩-转角关系来描述.利用ANSYS程序,采用弹簧单元模拟节点弯曲与扭转性能并将试验获得的弯矩-转角关系引入节点属性中,构建了螺栓球节点单层网壳的有限元模型.在此基础上系统开展了网壳结构的稳定性能研究.结果显示:采用螺栓球节点的网壳对于荷载不对称分布较为敏感,而且失稳过程中总伴随有节点的弯折效应;单层球面网壳的极限承载力最低可达到对应刚性节点网壳的32%,最高则超过98%,而单层柱面网壳则仅为10%,这表明此类节点可以应用在单层球面网壳中,但不宜在单层柱面网壳中采用.     

80 m球径螺栓球节点单层球面网壳稳定性能分析

螺栓球节点是一类半刚性节点,能否应用到单层网壳中一直是该领域急需解决的关键问题之一,本文首先通过螺栓球节点域的有限元分析,利用已有试验研究结果,获得螺栓球系列节点的弯矩-转角关系,再通过数值方法将其引入到整体网壳的节点刚度模拟中,建立了半刚性节点网壳分析方法.在此基础上,针对沈北新区市民健身中心80 m直径单层球面网壳,采用螺栓球节点连接设计,并进一步对结构施工成形过程中的多个状态进行非线性稳定性分析,也对覆盖饰面材料后网壳的稳定性能进行了探讨.分析结果表明:在施工阶段,网壳局部杆件以受弯为主,导致水平荷载作用下1/2球的极限承载力最低,而竖向荷载作用下的3/4球则因为其上部变形较大导致其极限承载力下降较多;在网壳合拢后,受弯构件转化为以受轴向力为主,其竖向、水平极限承载力分别到达设计荷载的4.7倍和9.2倍,因此只要通过合理措施,避免施工各阶段可能出现的失稳破坏,螺栓球节点完全可以应用到单层网壳结构中.     

80 m球径螺栓球节点单层球面网壳强震失效机理

为探究半刚性节点单层球面网壳在强震作用下的失效机理,以沈北新区80 m球径螺栓球节点单层球面网壳为研究对象,采用通用有限元软件ANSYS,引入节点试验和数值分析数据来模拟实际工程中螺栓球节点的抗弯性能,建立可考虑节点实际连接刚度的精细化数值模型,并进一步考虑局部杆件和节点加强、壳体外表面安装维护材料等不同结构条件的变化,在此基础上,对其开展强震作用下的失效机理研究.分析结果表明:沈北新区80 m球径螺栓球节点单层球面网壳的失效机理为局部节点瞬时大量破坏导致的结构动力失稳倒塌.局部加固网壳只能改善结构正常使用状态的各项响应指标,无法提高结构极限承载力.在现有结构表面安装维护面板,其各项响应指标(位移、支座反力等)皆明显增大,极限承载力下降57.1%,抗震能力明显降低.     

80 m球径螺栓球节点单层球面网壳地震响应分析

为探究半刚性节点单层球面网壳在地震荷载作用下的动力响应特征,针对沈北新区80 m球径螺栓球节点单层球面网壳,采用有限元软件ANSYS,引入节点试验和数值分析数据来模拟实际工程中螺栓球节点的抗弯性能,建立可考虑节点刚度的精细化数值模型,并进一步考虑局部杆件和节点加强、壳体外表面安装围护材料等不同结构条件的变化,在此基础上,对其开展了自振特性及在不同峰值地震荷载作用下动力响应分析.分析结果表明:本项目已建成的大跨度螺栓球节点单层网壳具有良好的抗震性能,但螺栓球节点单层网壳局部开洞会形成明显的刚度薄弱区,建议洞口周边采用焊接球节点并对周圈杆件加强.若在现有结构外表面安装围护玻璃则导致结构的抗震性能明显降低,罕遇地震下,节点最大位移将比竣工结构增大140.1%,杆件最大应力增大77.8%,节点最大位移时程曲线有发散迹象,表明结构有发生整体倒塌的可能性.     

Web轻钢龙骨体系节点的半刚性特性研究

结构试验和工程实践均表明体系节点具有半刚性特点,但在结构分析和设计中,通常采用理想刚性或铰接进行简化,不能反映结构的真实受力.为掌握和合理利用该轻钢龙骨体系节点的半刚性性能,对3种典型节点型式进行了试验测试,利用材料力学和结构力学的分析原理和方法得到各节点的弯矩与转角曲线(即M-θ曲线);参考型钢结构节点半刚性分析方法,得到各节点的初始连接刚度和极限弯矩承载力;通过拟合试验数据得到各节点的M-θ曲线和节点形状参数,曲线吻合较好,所得形状参数可以用于工程设计.研究结果表明:型钢结构节点的半刚性分析方法可以用于轻钢结构体系,也可为其他类型轻钢结构节点的研究提供参考.     

平端板连接半刚性梁柱组合节点的弯矩-转角模型

目的研究半刚性连接弯矩-转角关系,为半刚性组合框架设计提供依据.方法采用连接弯矩-转角关系的数学模型模拟方法,并利用4个平端板连接半刚性梁柱组合节点的拟动力试验和低周反复荷载试验的结果进行验证.结果给出了平端板连接半刚性梁柱组合节点弯矩-转角关系的模型,包括单调加载和循环加载模型.在单调荷载作用下,连接的弯矩-转角关系曲线有三线性和幂函数两种形式;在循环荷载作用下,给出的连接滞回模型同样包含两种形式：第一种,骨架曲线采用与单调荷载作用下相同的三线性形式,滞回曲线采用最大点指向形式;第二种,骨架曲线采用与单调荷载作用下相同的三参数幂函数形式,而滞回曲线同前.结论与现有试验数据的比较表明,给出的平端板连接弯矩-转角关系模型与试验结果吻合较好,可供工程设计使用.     

单层椭圆抛物面网壳结构非线性整体稳定研究

以具有实际工程意义的30 m×30 m跨度的单层椭圆抛物面网壳为研究对象,利用ABAQUS有限元程序对网壳的非线性整体稳定性能进行系统的分析,同时考虑矢跨比、初始几何缺陷、约束条件等因素对该网壳稳定性的影响.考察网壳的屈曲模态、屈曲路径,求出了全过程曲线和极限稳定承载力,全面了解单层椭圆抛物面网壳整体非线性失稳的规律性.研究表明:网壳极限承载力随着结构矢跨比的增加而逐渐增大;对竖向荷载的不对称分布和初始几何缺陷比较敏感,半跨竖向的屈曲荷载仅为满跨竖向的70%;支座刚度的增大可适当提高网壳的极限承载力.     

异形单层网壳结构的整体稳定性研究及关键节点分析

单层网壳结构属于缺陷敏感结构,整体稳定问题是结构设计的关键.单层网壳结构可以采用空间相贯节点,有必要对节点进行三维实体有限元分析,在此基础上研究节点的力学性能.本文总结了单层网壳结构整体稳定分析的方法,归纳了空间相贯节点三维实体有限元分析方法;针对异形单层网壳结构,研究了结构的静力性能、结构网格与建筑形状对结构承载能力的影响,确定了结构的弹性稳定承载力和弹塑性稳定承载力;对空间相贯节点进行了有限元分析,得到节点处应力的分布情况,并研究了节点隐蔽部位有无焊缝对节点力学性能的影响.结果表明：异形单层网壳的曲率变化和结构网格对关键部位处杆件受力影响较大;稳定承载力对单层网壳结构起控制作用,对此异形单层网壳进行弹塑性稳定分析,结构安全系数达到24;隐蔽部位焊缝对节点承载力的影响较大,设置隐蔽部位焊缝后,节点处各杆件的最大应力可减小20%以上.     

垫板对平齐式端板连接梁柱节点性能的影响

分别采用ANSYS有限元分析软件和Eurocode 3中的组件法对加入垫板的平齐式端板连接梁柱节点进行了模拟,并将模拟结果与试验结果进行了对比。结果表明：有限元分析所得的弯矩-相对转角曲线以及滞回曲线与试验结果基本吻合,节点的变形也与试验中观察到的变形一致,有限元分析可以很好地模拟此类节点的转动能力和刚度变化;采用组件法计算平齐式端板连接梁柱节点的刚度具有令人满意的精度;垫板的加入对节点整体性能没有太大的影响。     

基于响应面法的机床螺栓结合部刚度辨识与动力学建模

为了研究结合部刚度参数间的耦合关系对机床结合部动态性能的影响,基于响应面函数的选型建立了广义模态固有频率与结合部动刚度耦合和非耦合的函数模型。响应面函数辨识法以结合部模态固有频率这一关键动力学性能为指标,研究了结合部动态特性与结合部刚度参数的数学关系。基于结合部单、双对节点有限元建模方式,结合中心复合实验设计方案和响应面方法理论,分别对两种建模方式建立响应面函数辨识模型。以响应函数模型的响应值与实验测得值的最小二乘法为优化目标,结合非线性规划与遗传算法实现结合部刚度参数的辨识。其中通过响应面函数二次多项式的选型显现多对节点间的刚度耦合关系,揭示了参数间的耦合关系对结合部动力学的影响。为验证此理论和方法的可靠性,以一螺栓结合部为研究对象,制定有限元动力学仿真分析的实验设计方案和采集了刚度组合点,并计算每一组采样点的前11阶模态固有频率。以有限元分析的数据为基础,建立反映螺栓结合部刚度间耦合关系的2次多项式响应面函数,并通过计算响应面模型质量评价指标验证了该模型的有效性。对比分析多刚度耦合、不耦合和单刚度的有限元模型预测精度,结果显示,多刚度耦合的有限元模型在固有频率、振型方面均具有较好预测效果,前11阶模态固有频率平均误差仅为1.6%,论证了考虑刚度间耦合关系的必要性和方法的可行性。     

T形柱框架节点受剪承载力的非线性有限元分析

异形柱结构体系在国内已使用多年,但有关异形柱框架节点的破坏形态、受剪承载力的研究还很不充分.虽然《混凝土异形柱结构技术规程》(征求意见稿)建立了节点的受剪承载力公式,但该式并未考虑到异形柱与矩形柱框架节点相比较而言的某些特殊性.利用ANSYS对T形柱节点进行了低周反复荷载作用下的非线性有限元分析,指出了该节点核心区混凝土受力机理不符合斜压杆原理,提出了由于柱翼缘板的存在,使得节点核心区的裂缝分布形态不同于矩形柱框架节点,讨论了轴压比与受剪承载力的关系,柱翼缘板宽度和梁柱抗弯刚度比对节点破坏形态的影响.     

Finite Element Modeling and Vibration Analysis of Sprag Clutch-Flexible Rotor System

斜撑离合器-柔性转子系统有限元建模及振动特性分析

黄创^1,2,赵永强^1*,靳广虎^3*

（1. 哈尔滨工业大学 机电工程学院,哈尔滨 150001;

2. 珠海格力电器股份有限公司,广东 珠海 519070;

3. 南京航空航天大学 直升机传动技术重点实验室,南京 210016）

摘要：

为研究高速运行工况下斜撑离合器-柔性转子系统 (SC-FRS,sprag clutch-flexible rotor system) 的整体振动特性,基于推导的斜撑离合器刚度矩阵的计算方法,建立了考虑转子柔性及轴承支撑刚度的SC-FRS的有限元模型。以此模型为基础,计算了系统的固有频率和模态振型,通过与ANSYS软件计算结果的比较,验证了本文模型正确性。同时,在不平衡量作用下,分析了系统的弯扭耦合振动和中介轴承动载荷,研究发现扭转方向的共振峰与弯曲方向的共振峰有着相同的共振频率。搭建了斜撑离合器-转子系统试验台,进行了轴心轨迹和临界转速的测试,试验结果表明使用SC-FRS的有限元模型能够较准确地描述系统的振动特性。

关键词：斜撑离合器转子系统;有限元模型;不平衡量;实验验证

     

矩形钢管焊接球节点的有限元分析与试验研究

为了解轴力、弯矩及两者共同作用下矩形钢管焊接空心球节点的受力性能与承载能力，进行了有限元分析和试验研究.采用理想弹塑性应力-应变关系、Von-Mises屈服准则，建立了基于几何非线性的有限元模型，对承受轴力、弯矩及它们共同作用的矩形钢管焊接球节点进行了大量的有限元参数分析.对4个典型足尺节点进行了试验研究，直观了解节点的受力性能和破坏机理，并验证了有限元模型的可靠性.研究表明，轴力和弯矩共同作用的焊接球节点的轴力-弯矩相关关系与节点的几何参数无关，极大地简化节点承载力的计算方法.     

TX型方钢管相贯节点X支管平面内抗弯刚度分析

为了分析TX型方钢管相贯节点在复杂边界条件下X支管平面内抗弯刚度的影响,以相贯节点足尺试验为基础,采用量纲分析得到影响相贯节点抗弯刚度的主要无量纲参数,利用有限元软件分析X支管平面内抗弯刚度受主要无量纲参数的影响,并展开研究.试验表明：主管的轴向拉力可以略微提高X支管平面内抗弯刚度.通过分析几何因素对抗弯刚度的影响,结果表明：X支管平面内抗弯刚度主要取决于X支管与主管的宽度比和宽厚比.     

组合节点刚度对组合框架的抗震性能影响分析

为研究钢-混凝土组合节点刚度对组合框架抗震性能的影响,首先讨论了组合节点的刚度及其影响因素,然后通过某多层钢结构工程实例,利用Ansys有限元软件建立了纯钢框架与组合框架,分别假定刚接及考虑节点刚度等共4种框架模型,进行了多遇地震反应谱分析及弹性时程分析,并进行了计算对比.计算结果表明,考虑钢框架的组合作用后,结构整体自振周期变短,基本自振周期降低了13.4%,说明结构整体刚度变大.但考虑节点刚度后,地震周期又有所加大,纯钢框架及组合框架基本自振周期均增大了17%,相应地震位移变大,2种模型的反应谱法分析顶层位移分别增大了8%,11%,说明组合节点刚度对结构的抗震性能是不可忽略的因素.     

将台花园钢结构网壳焊接节点承载性能试验

将台花园网壳屋面系统采用了全焊接的钢结构节点,节点的六肢在空间交汇,几何形状不规则,为了检验节点的承载性能和安全储备,需要开展专门的加载试验研究.通过在矩形反力架上固定节点试件的三肢,对其余三肢进行轴向加载,控制轴向荷载的偏心实现设计荷载中的主弯矩施加,一共针对四个节点进行了试验研究.试验结果表明,节点可以安全承受设计荷载作用,且具有较大的安全储备.利用ANSYS建立考虑材料与几何非线性特性的有限元模型,对试验加载过程进行全过程模拟.有限元分析结果与试验数据吻合良好,验证了有限元模型的可靠性.加载试验研究可以较好地检验该类空间相贯节点的承载性能,所采用的研究方法能够为同类节点的设计与应用提供参考.