双轴对称工字形截面悬臂梁在复合荷载作用下的弹性弯扭屈曲

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为适应双轴对称工字形截面悬臂梁弯扭屈曲的设计需求,本文提出同时适用于单一荷载以及复合荷载工况的弯扭屈曲临界弯矩Mcr实用算式。针对悬臂梁,现有规范及研究中提出的弯扭屈曲临界弯矩Mcr计算方法仅适用于部分单一荷载作用的工况,其中包括自由端作用端弯矩(EM)、集中荷载作用于自由端(CLT)以及满跨均布荷载(UDL),且横向荷载作用高度通常为上翼缘、剪心或下翼缘。在本文中,采用临界弯矩Mcr的复合弯矩系数Cb及参数ζy计算方法,通过理论分析和有限元分析,提出了Mcr的实用算式,并校验了其精度和适用性。首先,本文研究了弯扭屈曲的控制方程,并通过理论推导得到复合弯矩系数Cb及参数ζy计算方法中的“3C”系数计算式。证明了该计算式的推导条件,即保持扭转角φ的近似函数项数为1,而侧移u的可为任意多项。在计算式的推导方面,基于总势能方程,采用Rayleigh-Ritz法,分别选取n项和1项基函数的侧移u与扭转角φ的近似函数,得到了Cb、ζy以及“3C”系数的理论计算式。其次,分析了悬臂梁难以通过理论推导得到“3C”系数的理论计算式的原因。根据悬臂梁自由端的边界条件,得到了该处边界条件(扭转角φ的一阶导数以及三阶导数)与扭转刚度系数K的关系式。因而,采用Rayleigh-Ritz法推导“3C”系数理论计算式时,“3C”系数是扭转刚度系数K的函数,难以通过选取固定边界的近似函数得到精度较高的结果。另外,通过有限元分析得到的临界弯矩Mcr结果,反算得到对应的复合弯矩系数Cb,研究弯曲惯性矩Iy对Cb的影响。研究表明:相较于扭转刚度系数K的影响,Iy对Cb的影响可以忽略。而后,编写了可批量分析并求解临界弯矩Mcr的弯扭屈曲有限元分析程序。推导了包含集中荷载作用项的单元刚度矩阵,然后采用MATLAB中的Excel接口,实现了临界弯矩Mcr的批量计算。通过与现有文献中的试验结果以及ABAQUS分析结果进行对比,验证了本文编写的有限元分析程序的精度。此外,利用ABAQUS中的Python接口,编写了可快速建模和分析的Python脚本。最后,提出了适用于4种单一荷载作用悬臂梁的C1,i和C2,i实用算式,以及适用于两两单一荷载复合作用悬臂梁的相互影响系数C1,ij和复合弯矩系数Cb实用算式。并且,在单一荷载工况下,将本文实用算式的计算结果、现有方法的计算结果与有限元分析结果进行对比,校验了现存方法的精度和适用性。研究表明,绝大部分文献所提出的方法误差较大,且适用范围有限。而本文所提出的单一荷载工况下的实用算式仅为二次多项式,形式简单,并具有较高的精度和适用性。另外,仅本文提出的复合弯矩系数Cb及参数ζy计算方法可计算悬臂梁在复合荷载作用下的临界弯矩。
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