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。     

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。     

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。     

冲击荷载下单层凯威特型球面网壳的防护方法及建议

避免结构在冲击荷载下出现整体倒塌为防护目标,对单层凯威特型球面网壳的抗冲击防护方法进行研究。应用有限元软件ANSYS LS/DYNA建立凯威特型单层球面网壳与圆柱形冲击物的模型,并展开大量参数分析工作。在此基础上,依据网壳结构的冲击失效规律及连续倒塌的特点,提出可供实际应用的冲击荷载下网壳结构的3种防护方法（轻屋面,整体加强法,临界位置加强法）;并分别对防护效果进行验证。然后综合考虑防护效果与结构成本,提出冲击荷载下网壳结构的防护建议。     

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。     

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。     

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。     

罕遇地震下双层球面网壳的弹塑性动力响应分析

对54个双层球面网壳模型在罕遇地震下的弹塑性响应进行了计算。网壳模型中杆件截面按非地震工况下的满应力设计确定,并满足小震作用下的结构验算。计算时考虑网壳和下部结构的协同工作。杆单元采用能够同时考虑受拉屈服和受压屈曲的等效弹塑性滞回模型。根据计算结果,考察了网壳跨度、矢跨比、支座连接条件、下部结构形式以及地震波选取对结构塑性区域、塑性发展程度以及残余变形的影响。研究表明,罕遇地震下双层球面网壳的薄弱区域不全出现在临支座区域。当网壳受下部结构约束较强或跨度和矢跨比均较大时,发生残余塑性应变的杆件大多出现在网壳中间圈层区域。跨度、矢跨比和支座条件是影响塑性杆件分布和塑性应变大小的三个敏感因素。但所有模型并没有在罕遇地震下出现倒塌。     

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。     

静力荷载作用下基于敏感性的单层球壳冗余度分析方法研究

冗余特性是决定结构鲁棒性的重要因素,是损伤情况下结构安全性的体现。为合理评估单层球面网壳结构在静力荷载作用下的构件冗余度,本文以结构的应变对单元材料弹性模量的敏感性作为评价指标,综合考虑单元弹性模量的变化对结构的影响,给出了结构构件冗余度的评价方法。为验证方法的有效性,本文将其与利用结构极限承载能力的冗余度评价方法相比较。结果表明基于应变敏感性与利用极限承载能力分别计算的结构冗余度两者相一致。冗余度值的大小是结构单元重要性的衡量指标,冗余度值小的结构单元,其失效后将对结构整体性能产生重要影响,是结构的关键构件。     

风荷载下单层柱面网壳的动力稳定

以一单层柱面网壳为例,利用Budiansky-Roth准则研究空间结构在风荷载下的动力稳定性。介绍了Budiansky-Roth准则,通过风洞试验获得单层柱面网壳上的风荷载并研究其动力稳定性,讨论了初始几何缺陷、风向角和风压系数的影响,并将动力失稳分析结果与我国规范和阵风响应因子法（GRF法）计算动力响应导致结构破坏的方法作了比较。研究结果表明,空间结构进行风荷载下的稳定性设计时有必要研究其在风荷载下的动力稳定性。     

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。     

基于有限质点法的单层球面网壳强震作用下连续倒塌破坏研究

有限质点法是以向量式结构力学为基础的崭新的结构分析方法。该文以该方法为基础,综合考虑结构的几何非线性、材料非线性和构件断裂,研究单层球面网壳结构在地震作用下的连续倒塌破坏全过程。该文介绍了有限质点法的基本理论,提出了该方法分析结构非线性问题和断裂问题的具体思路。采用直接输入法输入地震波,利用自编程序实现了单层球面网壳结构倒塌全过程模拟。研究了矢跨比对球面网壳强震作用下倒塌性能的影响,讨论了结构的倒塌时间和倒塌模式,并基于结构的倒塌模式通过局部加强法对单层球面网壳结构进行了抗倒塌设计。     

Failure by buckling mode of the pore-strut for isotropic three-dimensional reticulated porous metal foams under different compressive loads

Compression is one of the most basic loading modes for engineering materials, and the failure of lost stability is possibly resulted from buckling for the bar under compression. The pore-strut within porous metal foams under compression may be similar to the compression bar, so the strut is possible to buckle when the porous body is under compressive loads. With the analytical property model of the simplified structure, the pore-strut buckling behavior is analyzed for isotropic three-dimensional reticulated porous metal foams, and the failure modes resulting from this buckling are investigated for these materials under compressive loadings. These loading modes cover all of three loading conditions, including uniaxial compression, biaxial compression and triaxial compression. The treating ways of the pore-strut are relative to three slenderness-ratios, including three conditions of thin-long bar, middle-long bar and stocky bar. Based on these works, the mathematical relationships between nominal main stresses and porosity are found for this buckling failure of these materials under compression. Through the relevant expression, the relevant strength criterion and the relevant loading condition resulting in the strut buckling are further achieved for these porous metal foams under compression.     

混凝土材料的动态压缩破坏机理及本构关系

为研究混凝土材料的动态性能,利用直径φ100 mm的SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)装置对骨料尺寸为15 mm～20 mm的混凝土材料试样进行了应变率范围30s(-1)～180s(-1)的动态压缩试验,并借助高速摄影装置获得了试样的变形与破坏过程,结果表明:在动态压缩强度附近应力区,材料表面先出现一条沿试样轴向的可见宏观裂纹,而多条主裂纹的形成与扩展才导致材料的最终破坏;建立了改进的ZWT模型,模型预测结果与试验结果较吻合.