基于APDL参数化弦支穹顶的结构分析研究

来源 :西安理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaoshen1984
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弦支穹顶结构是众多杆件通过焊接螺栓球节点有规律排列连接的网状外壳在撑杆、环向拉索和径向拉杆的支撑下自身平衡的复合结构。在体育馆,博物馆,大型商厦采光顶等大跨度结构越做越大导致设计困难同时成本直线上升的时候,弦支穹顶结构应运而生,以其优越的结构性能、较低的单位面积成本、优美的外观获得设计师的青睐。本文通过分析凯威特模型在静力和动力两方面特性来了解弦支穹顶结构性能。  本文使用编制ANSYS的APDL语言程序实现穹顶的参数化几何建模,通过计算求得7圈环索预应力比值,指出不同杆件使用正确的有限元单元的依据,为几何建模一些关键的参数提供依据。通过提出弦支穹顶预应力结构特殊性,编写APDL语言实现形态分析,寻找设计好的预应力平衡态对应的放样态几何坐标和环索初始缺陷,建立具有预应力的有限元模型,以此模型为分析起点为后续静力学分析和动力学分析分析奠定基础。本文在求索预应力时考虑了以上部网壳杆件最大应力尽可能小的优化过程,在近似预应力计算结果基础上,通过编写优化文件分两次优化平衡态下预应力的取值,得到优化解同时不改变新预应力平衡态下网壳的形状,改善初步设定的预应力设计值,使最终有限元模型更趋于合理化。  利用ANSYS强大的非线性计算能力分析弦支穹顶结构静力性能表现,总结其在不同荷载、预应力、支座约束、矢跨比、跨度参数下变化规律。用数据解释了引入的下部索撑为上部网壳带来的好处,同时用数据揭示弦支穹顶在不同部位线性和非线性特性的分布。分析其在工作状态下同类杆件内力变化趋势,进一步了解弦支穹顶静力性能具体表现。  本文考虑了预应力钢结构几何刚度矩阵所乘荷载因子的特殊性,编写APDL语言实现寻找适当的荷载使其荷载因子基本不受预应力的干扰,用求得的临界荷载分析其在不同矢跨比和跨度下稳定系数变化趋势。分析其非线性屈曲过程引入了临界荷载下特征屈曲模态的缺陷,通过不同缺陷引入量,对比出弦支穹顶对缺陷的敏感性,再进一步分析其不同的荷载、高跨比、预应力情况下的极限荷载能力,同时观察其屈曲平衡状态变化,总结出弦支穹顶受力变形过程规律,为改善结构提供进一步依据。  本文利用ANSYS模态分析过程得到弦支穹顶自振特性在不同荷载、预应力、支座约束、矢跨比、跨度参数下变化规律,总结出弦支穹顶自身动力学特性的规律。采用时程分析法研究弦支穹顶在水平和竖向地震激励下的结构响应,通过单个算例计算分析不同位置杆件内力在水平和竖向地震之间对比,以及不同位置节点在两个地震激励下位移时程曲线对比,初步得到弦支穹顶在地震激励下受力规律,最后统计各类杆件地震系数在不同荷载、跨度和预应力下的水平地震激励和竖向地震激励的变化,总结弦支穹顶结构内力分布规律,为设计研究弦支穹顶结构抵抗地震荷载提供改善结构的依据。
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