K8型单层球面网壳基于AUTODYN的外爆响应分析

该文采用显式动力有限元软件AUTODYN对K8型单层球面网壳在外爆荷载下的动态响应进行了研究。数值模拟中采用流固耦合方法施加荷载,钢材采用多段线性模型,首先验证了AUTODYN进行近场爆炸分析和远场爆炸分析的准确性;考察了跨度为20 m的网壳结构在外爆荷载下的荷载传播规律、最大节点位移变化规律以及塑性杆件发展规律,考察了跨度为40 m网壳结构在TNT质量、炸点距离以及炸点高度参数变化下的结构响应规律。数值分析的结果表明:AUTODYN具备准确进行近场爆炸和远场爆炸分析的能力;单层球面网壳在外爆荷载下主要经历两次冲击波荷载,最大节点位移出现在第一次冲击荷载作用时,结构杆件的塑性发展在0.05 s后基本结束;网壳结构的响应随TNT质量增加和炸点高度增加而加大,随炸点距离增大而减小。     

外爆荷载下Kiewitt 8型单层球面网壳的动力响应

为研究Kiewitt 8型单层球面网壳在爆炸荷载下的动力响应,基于LS-DYNA建立了爆炸中考虑附属结构(檩托,檩条,铆钉和屋面板)影响的40 m单层球面网壳结构有限元模型。通过分析相同爆炸荷载下不同结构矢跨比,构件尺寸和材料属性等参数对结构响应的影响,得到了球面网壳的矢跨比、杆件截面、屋面板厚度及屋面活荷载等是影响结构动力响应的主要因素。在此基础上,通过讨论相同结构在不同爆炸作用下的结构破坏及倒塌情况,提出了单层球面网壳在外爆荷载下安全距离的计算方法,为更好地建立网壳结构的抗爆设计方法和安全评估理论提供了依据。     

偏心爆炸荷载下网壳结构的动力响应分析

利用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件平台建立了包含网壳杆件、檩托、檩条、铆钉、屋面板、墙体和地面在内的40m跨度精细化典型K8单层球面网壳结构有限元模型,采用流固耦合算法对结构在内部偏心爆炸荷载作用下的动力响应进行了有限元数值模拟研究,得到了网壳结构在偏心爆炸荷载作用下的四种响应模式：结构无损伤、构件塑性发展、网壳大变形、泄爆型破坏。获得了不同爆炸点位置、杆件截面、矢跨比、支承条件、屋面板厚度等参数条件下的结构动力响应结果,通过对比分析,总结了各参数对结构动力响应的影响程度与规律,为网壳抗爆防御设计提供了依据。     

一种球面网壳动力失效的联合预测方法

以地震作用下精细化有限元分析的单层球面网壳的动力失稳破坏模式为基础、结合细胞自动机(CA)方法,发展了一套单层网壳动力失稳破坏模式和失效荷载的联合预测方法。首先,对基础单层球面网壳进行了简谐荷载作用下全荷载域动力时程有限元分析(FEA),并时时提取各级动荷载幅值下所有节点的位移值及单元的应变能密度。之后,用建立的联合方法预测了其它同类网壳的动力失稳破坏模式及失效荷载,并与相应FEA计算结果进行了分析比较。结果表明,所提出的联合方法,在一定程度上能基于一个单层球面网壳的动力失稳破坏模式和失效荷载预测其它不同跨度、不同矢跨比、不同杆件截面尺寸的单层球面网壳的动力失稳破坏模式及失效荷载。因此,结合FEA数值模拟,实现了CA方法在单层球面网壳动力失稳破坏模式和失效荷载预测中的应用。     

冲击荷载下单层球面网壳动力响应分析与试验研究

为分析带下部支承结构的Kiewitt-6型单层球面网壳在冲击荷载下动力响应,在ANSYS/LS-DYNA中建立钢管柱支承的单层球面网壳数值分析模型,据冲击响应特点,总结四种响应模式,研究冲击能量、冲击位置、环梁刚度对上部网壳动力响应影响。进行钢管柱支承的单层球壳模型冲击试验,测量、分析结构的动应力、动位移及加速度,研究冲击柱破坏模式。结果表明,四种响应模式以冲击柱破坏模式(轻微损伤、局部凹陷、压弯破坏、剪切破坏)为典型特征;除响应模式4,网壳动力响应随冲击能量增大而增大;柱中为最不利冲击位置;环梁刚度增大,网壳动力响应减小;有限元分析结果与实测结果吻合较好,验证数值计算方法的正确性。     

铝合金单层球面网壳的非线性稳定分析

以K8型单层球面网壳结构为例,采用有限元分析软件ANSYS进行建模和计算,对铝合金网壳进行了几何非线性稳定分析,讨论了矢跨比、荷载分布形式、初始缺陷和支承条件对网壳稳定性承载力的影响。通过与钢网壳比较,得到了一些关于铝合金单层球面网壳稳定性的结论,可为相关的工程设计提供参考。     

冲击荷载下K8单层球面网壳的破坏类型

首先介绍求解冲击问题解析法与数值法的算法基础,以及有限元求解的基本解法(中心差分法)。之后介绍了以上述为理论基础的计算冲击荷载的国际通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA。并分别用解析法与有限元软件求解同一简单模型,互相校核;二者结论接近,验证了软件求解功能及相关参数设置的正确性。随后在ANSYS/LS-DYNA软件中建立了60m跨度K8型单层球面网壳抗冲击模型,在上述基础上,通过对135个算例的分析总结,根据竖向变形与塑性发展情况总结了K8单层球面网壳结构在顶点冲击荷载下的五种破坏类型及其分布规律。     

铝合金板式节点单层球面网壳的自振特性研究

为了研究K6型和K8型铝合金板式节点单层球面网壳的自振特性,采用有限元软件ANSYS进行了大规模有限元分析,分析中考虑了矢跨比、跨度、屋面荷载、跨厚比、网格密度、约束条件等参数的影响。基于有限元分析结果,拟合得到了不考虑节点刚度影响时单层球面网壳的基本自振频率估算公式。考虑板式节点刚度的影响,引入基频放大系数,进一步提出了考虑板式节点刚度影响的网壳基频估算公式。将所提出的估算公式的计算值与某铝合金板式节点网壳的实测基频进行了比较,结果吻合良好,证明了公式的有效性。     

荷载非对称分布下单层球壳的动力倒塌振动台试验研究

为验证荷载非对称分布下网壳结构的动力倒塌机理,对一个单层球面网壳缩尺模型进行了振动台试验。选用三条地震波对网壳结构的动力特性、弹塑性阶段的动力响应(位移、加速度和应变等)、倒塌阶段的破坏过程进行了研究。通过ANSYS/LS-DYNA,以显式动力分析方法为基础,模拟了荷载不对称分布下网壳结构的倒塌全过程,并进行了倒塌机理的分析。结果表明,当网壳受半跨荷载时,形成塌陷区域的节点位于荷载作用区内,中部主肋屈曲产生了较大的动力效应并导致结构荷载作用区内局部塌陷形成、扩大使结构最终倒塌。有限元分析结果与实测结果吻合较好,验证了数值计算方法的正确性。     

冲击荷载作用下单层网壳结构动力稳定性研究

针对冲击荷载不同于地震作用,而常规动力稳定性判定准则不适用问题,阐述求解冲击问题的基本理论及冲击荷载取值;据冲击荷载特性提出适合冲击碰撞问题的单层网壳结构动力稳定性判定准则;选K6型单层网壳结构模型,利用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行结构冲击作用下动力稳定性分析,通过大量算例,分析其在不同冲击物质量比及速度作用下全过程动力响应,结合动力响应模式获得冲击荷载作用下单层网壳动力失稳的临界能量区域,并从矢跨比、跨度、杆件截面三方面对结构进行参数分析。结果表明,基于网壳动力响应模式与冲击能量相结合方法对单层网壳进行动力稳定性判定合理;结构刚度越小,冲击作用下动力稳定性越差;加大主肋利于提高结构动力稳定性。     

单双层球面扁网壳连续化方法非线性稳定理论临界荷载的确定

连续化方法是研究网壳结构稳定问题的一种重要途径,目前用连续化理论分析球面扁网壳的稳定问题还存在欠缺和不足。运用经典的壳体理论,将单层和双层球面扁网壳等代为实体薄壳并建立非线性稳定理论混合法基本方程,再用李兹法求出球面扁网壳上下临界荷载计算公式。通过参数分析,首次从1000多个算例中得出了正三角形网格单层和双层常用球面扁网壳临界荷载系数的精确解。与国内外现有文献的计算公式相比,结果更为完善和正确。即便在有限元技术日益成熟的今天,用连续化方法计算的网壳结构临界荷载仍然对工程设计有重要指导作用,也是有限元方法分析网壳稳定性的对比和补充。     

K8型单层球面网壳抗冲击荷载性能研究

首先介绍了求解冲击问题的解析法、有限元法的算法基础、适用于求解强非线性动力问题的有限元解法,以及计算冲击荷载响应的通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA。为验证软件求解功能及相关参数设置的正确性,分别用解析法与有限元软件求解同一简单模型,二者结果吻合。随后在ANSYS/LS-DYNA软件中建立了60m跨度K8型单层球面网壳冲击模型。在上述基础上,对135个K8型网壳算例进行了分析,研究表明:网壳竖向变形和主要杆件受力随冲击质量与速度的增加而增大,当质量与速度增加到一定值后,二者均不再变化。而且当冲击质量较小时,网壳塑性发展可以由冲击动量初步判定,冲击质量较大时,则与冲击速度之间有明显相关性。在一次冲击网壳破坏情况下,冲击持时随冲击速度的增大而减少。     

凯威特型单层球面网壳在强震下的失效研究

动力强度破坏是网壳结构在遭受地震时的主要失效形式,准确的失效判别需要以基于材料损伤理论的分析为基础。为在动力时程分析中考虑材料损伤累积的因素,编制了基于有限元软件ABAQUS的用户材料子程序,具有较高的计算精度和较好的收敛性,实现了网壳结构考虑材料损伤的动力有限元分析。对单层球面网壳在强震下的失效特点进行了系统的参数研究,探讨了考虑材料损伤因素对网壳失效特征的影响;综合网壳失效时刻的多项特征响应,拟合了能够评估网壳动力损伤程度的损伤模型;基于损伤模型表示的网壳极限状态的物理意义,建立了适用于跨度40m的凯威特单层球面网壳强震失效判别准则,可用之判定网壳在强震作用下的失效极限荷载。     

单层网壳结构冲击响应模式及临界冲击动能研究

采用ANSYS/LS-DYNA对60m跨度的K-6型单层球面网壳建立有限元模型,通过大量参数分析得出K-6网壳的4种冲击响应模式及其变化规律,考虑材料屈服强度、弹性模量及杆件截面积对网壳冲击响应模式及其分布规律的影响,提取网壳在冲击作用下发生局部倒塌和整体倒塌时的临界冲击动能,比较材料特性及截面特性对网壳抗冲击性能的影响,拟合了临界冲击动能的计算公式,并与有限元结果进行了对比。结果表明,K6网壳的冲击响应模式随冲击物携带动能的改变呈规律性变化。在杆件的截面特性和材料特性中,杆件的截面积对网壳的抗冲击性能影响较大,提高杆件的截面积可以大幅度提高网壳抵抗冲击荷载的能力。网壳的临界冲击动能可以利用公式进行计算。该结果对于网壳结构的抗冲击设计具有实际意义。     

冲击荷载下网壳结构的失效模式及其动力响应特性

为系统全面确定网壳结构的冲击失效模式, 通过大量的参数计算研究网壳结构(包括Kiewitt-8型球面网壳、短程线型球面网壳、肋环斜杆型球面网壳、柱壳)的冲击响应特性, 并以Kiewitt-8型单层球面网壳为例, 总结分析网壳结构冲击失效的4个典型算例, 详述各类失效模式下网壳结构冲击失效的全过程及其荷载作用、结构特征响应、能量传递与转化特点;然后依据不同冲击荷载下网壳的冲击失效特点, 定义了网壳结构的3类失效模式(结构局部凹陷、结构整体倒塌、结构冲切破坏)。为揭示网壳结构的冲击失效机理并提出防护建议做了基础性工作。     

基于最大熵法的单层球面网壳在地震作用下的破坏模式预测

从数学与信息论中引入最大熵法概念,同时充分考虑了结构响应的随机性,通过结构最大位移概率密度函数来判断与预测结构的破坏模式.以跨度40m、50m、矢跨比1/5、1/7的K8型单层球面网壳结构为例,同时考虑几何非线性与材料非线性,对网壳结构进行了地震作用下破坏模式的分析.利用有限元方法计算得到的若干样本,通过最大熵原理建立了破坏最大位移概率密度函数与结构破坏模式的定量关系,进而合理选取两级地震动,通过这两级地震动下的最大位移概率密度函数最大峰值差来预测结构的破坏模式.     

单层球面网壳动力失效全过程试验研究

为了更加深入研究单层球面网壳的动力失效。结合一个K6型单层球面网壳振动台试验,设计出一套描述单层球面网壳强振倒塌全过程的测试方法,包括:冲击法测试结构自振特性、低频调幅加载评估损伤程度和基频简谐加载监测结构失效过程。结合数据测量结果,描绘出结构倒塌过程的变形时程,分析结构的基频、阻尼及振型,记录杆件进入塑性的顺序,探索结构损伤演化的规律及倒塌破坏的机理。最后考虑材料的损伤,进行有限元模拟,验证了模拟方法的正确性。     

基于模糊综合判定的网壳结构强震失效模式研究

为合理判别单层网壳结构在强震下的两类失效模式,指导网壳工程在地震区的实践,该文采用考虑材料损伤累积的荷载域全程分析方法,对单层球面网壳和单层柱面网壳在动力荷载下(包括强震)的响应进行了系统的参数分析。简述了两类失效模式的结构表现及结构响应特征;引入模糊数学中的模糊综合判定理论,确定了网壳结构多项响应因素与模糊失效模式集合的关系,建立了基于模糊综合判定的网壳结构动力失效模式判别模型;通过分析表明:所建立的模型具有准确的判别效果,可对网壳结构在动力荷载下的失效模式进行判别。     

K8型单层球面网壳顶点竖向冲击下的冲击荷载特征及荷载简化模型

为简化网壳结构遭受冲击作用时复杂的接触分析过程,基于ANSYS/LS-DYNA建立了单层K8型球面网壳模型,并模拟其在不同冲击作用下的失效过程,辨别网壳的失效模式,并获取了冲击过程中的冲击力曲线。通过对网壳遭受竖向冲击荷载下的这些冲击力曲线特征进行分析,提出了简化的冲击荷载模型,并应用能量守恒定律和动量定理确定了模型相关参数。利用此冲击力模型对网壳结构在冲击荷载下的响应进行分析并与实体冲击物作用下的响应进行了对比,验证了该模型的准确性,应用该模型可以实现对网壳抗冲击性能的简单有效评估。     

小比例柱面网壳振动台试验及动力响应概率模型

针对单层网壳实验费用高、周期长及地震变异性大等问题,开展了一小比例单层柱网壳振动台试验模型试验,并基于该模型试验统计了考虑地震动变异性时单层柱面网壳的动力响应概率模型。参考孔洞胶接节点装配式单层球面网壳模型制作方法制作了一小比例单层柱面网壳模型;在此基础上,分别选用TAFT波、人工地震波和简谐波对该单层柱面网壳模型开展一系列振动台试验研究,包括弹性阶段的动力特性测试和弹塑性状态下的动力倒塌测试;立足于现场实测数据,基于通用有限元分析软件ABAQUS建模、并开展相应数值仿真分析,总结分析单层柱面网壳模型动力特性与破坏特征;基于40组动力实测数据研究地震变异性对单层柱面网壳动力特性的影响,并初步拟合出地震动变异性与该结构动力响应的概率模型。该研究对开展系列单层网壳振动台试验定性研究及空间网壳结构抗震规范的修订提供参考。