自由曲面空间网格结构研究及力学性能分析

基于浙江大学空间结构研究中心自主研发的ZD-mesher软件,对NURBS表达的自由曲面,分别采用映射法和映射-拟桁架法进行网格划分,得到两种形式的曲面网格.对这两种自由曲面网格结构进行受力分析,并结合建筑视觉效果、结构力学性能及建造经济性等指标,综合评判网格形式对于自由曲面空间结构的影响,为此类结构的实际工程应用提供参考.最后,针对某自由曲面网格结构实际工程,进行网格划分,并分析其受力性能,获得建筑美观和结构性能的完美统一.     

金华体育中心体育场屋盖结构稳定性及加套相贯节点分析

金华体育中心体育场屋盖采用双层钢网壳结构,端部大拱采用管桁架.在对屋盖结构进行满应力优化设计的基础上,考虑结构初始缺陷,对屋盖结构在两种典型工况下的稳定性进行了分析.同时按照管桁架主管或支管应力最大的原则选取8种工况,对相贯节点进行了有限元分析.结果表明,在满跨荷载和半跨荷载两种典型工况下,该屋盖结构均具有较高的极限承载力.在管桁架相贯节点处,普遍存在应力集中现象,通过主管外局部加套管,既能有效减少应力集中现象,又能使节点处的应力分布更加均匀.     

基于Floquet理论的储液罐动力稳定性分析

为确定储液罐动力不稳定现象与激励参数间的关系,采用附加质量矩阵考虑流固耦合效应,以周期变化的几何刚度矩阵考虑壳体应力变化,由位移-压力格式的流固耦合方程建立储液罐在简谐地面加速度下的动力稳定性方程.利用模态截断法降阶上述方程,并基于Floquet理论求解,从而递归搜寻由激励参数描述的动力不稳定边界.利用上述Floquet方法分析Chiba试验模型,并基于B-R准则复核该结果.结果表明,Floquet方法求得的动力不稳定边界与Chiba试验较一致,并与B-R法结果吻合良好.Floquet方法可显著提高动力不稳定边界的求解效率,并消除壳体振型半波假定的影响.     

基于动力推覆方法的储液罐抗震分析

为有效评估储液罐在弹塑性阶段的抗震性能,经凝聚流体域压力自由度,建立流固耦合系统的等效动力方程,然后合并同频振型并基于广义逆理论导出谱加速度-谱位移性能曲线的投影方程,并通过控制谐波参数实现流固耦合系统的单向动力推覆,以此确定性能曲线并作为储液罐的单自由度广义本构模型。时程分析表明:上述广义本构模型的滞回曲线及时程结果与流固耦合系统吻合良好,罐体刚度均呈渐近退化。该文方法与静力推覆分析的计算耗时大致相仿,消除了特征节点对性能曲线的影响,并可考虑弹塑性阶段内罐体抗力分布的改变。     

基于模糊聚类的网架结构动力失效模式识别

针对网架结构在动力荷载作用下失效模式的表述不明确的问题,通过分析动力失效机理,给出确定结构动力失效特征指标的原则,将特征指标归纳为塑性应变能、塑性杆件比例以及结构破坏前最大节点位移.基于模糊等价聚类的原理,应用多种相似性判定式分析特征指标之间的关系,建立模糊等价矩阵.根据最大树法和贴进度对失效模式进行分类和识别.对18个网架结构的分析结果表明,利用绝对值指数法进行模糊等价聚类,可以有效地识别网架结构动力失效模式,将其由自然语言描述转化为明确的数值表述.     

基于H_∞理论的网壳结构鲁棒性分析

为了分析网壳结构的鲁棒性,基于H∞鲁棒控制理论,采用系统传递函数的H∞范数为结构鲁棒性定量评价指标,通过参数分析,研究几何参数、网格形式对单层网壳结构鲁棒性的影响.针对常见的凯威特型单层网壳结构,通过概念移除构件,分析构件的重要性,进而搜索影响鲁棒性的关键路径.针对某工程实例,讨论不同的支承形式对鲁棒性的影响.结果表明,结构跨度越小、构件截面和矢跨比越大,网壳结构的鲁棒性越强;相比肋环型和肋环斜杆型,凯威特型网壳结构鲁棒性较强;对于周边固支的凯威特型网壳结构,位于圆周直径上的径向构件对鲁棒性最重要;减少支座将降低结构的鲁棒性.     

单层K8型椭球壳的静力稳定性分析

采用非线性有限元分析方法,从大规模的几何参数分析入手,研究K8型单层椭球面网壳结构的静力稳定性能,包括短向跨度、矢跨比、杆件截面尺寸等参数与结构极限承载力的关系,并针对研究工作进行总结,得出一些有参考价值的结论。     

单层球面网壳结构屋面雪荷载最不利布置研究

雪荷载对大跨网壳结构的影响相对较大,而且由于风及温度等的作用,雪荷载在屋面的分布往往是不均匀的,确定雪荷载的最不利布置是保证大跨网壳结构安全设计需要考虑的问题。该文提出了一种分区组合法来确定单层球面网壳结构在屋面雪荷载作用下的最不利布置,该方法首先将屋面沿径向分为8个扇区,分别考虑雪荷载布置在不同扇区的排列组合,计算结构的极限承载力,确定雪荷载的径向最不利布置,然后再将屋面按环向分为6个环区,计算并确定雪荷载环向最不利布置,最后组合径向和环向两种情况,确定单层球面网壳结构雪荷载的最不利布置。研究结果表明,当雪荷载布置在半跨并且是最外两环时,结构的极限承载力最低,比满跨和半跨雪荷载工况分别降低24.8%和16.3%。     

树状结构三分叉铸钢节点有限元分析

结合某实际结构工程,对三分叉铸钢节点进行有限元分析。首先设计并应用SOLIDWORKS建立考虑管径、壁厚、倒角半径、分叉角度等因素影响的计算模型,然后应用ANSYS计算轴力和弯矩共同作用下节点的应力状态,分析节点应力分布特征及最大应力出现的位置,并对影响节点受力性能及破坏模式的参数进行分析。研究结果表明:弯矩对节点最大应力的影响显著;三分叉铸钢节点主要存在主管轴向屈服、主分管交界处局部屈曲、分管撕裂破坏等3种破坏模式,节点受轴力作用且管壁相对较厚的情况下,发生主管轴向屈服破坏;节点受轴力作用、支管直径相对较大而管壁较薄的情况下,发生主分管交界处局部屈曲破坏;节点弯矩作用较大的情况下发生分管撕裂破坏。     

基于鲁棒性的自由曲面结构优化设计研究

由于造型复杂、受力不明确,自由曲面的形状、拓扑难以确定,保证其安全性能难度较高。为此,以结构非线性H∞鲁棒性指标为目标,以非均匀有理B样条法的曲面控制点坐标以及划分单元的厚度为优化变量,采用差分演化算法对曲面形状进行力学微调优化,并求解自由曲面形状和材料分布联合优化设计问题,得到最优的曲面形状和拓扑构型。结果表明,差分演化算法具有较强的寻优能力,通过优化调整曲面的形状和材料分布,可大幅提高曲面的鲁棒性和刚度,改善结构的受力性能。通过六角星形穹顶结构的非线性屈曲分析,阐述了鲁棒性指标与应变能指标的联系和区别,表明鲁棒性指标能够较好地反映结构的屈曲过程、表征破坏后果,采用鲁棒性指标进行自由曲面的优化设计可以确保结构的安全性。