【正文】 元數(shù)值模擬分析軟件，可以解決相對(duì)簡(jiǎn)單的線性問(wèn)題以及很多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。 ABAQUS 擁有一個(gè)圖形用戶界面 ABAQUS/CAE，即人機(jī)交互前后處理模塊，還有兩個(gè)主求解器模塊 :ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explic it。這三個(gè)步驟通過(guò)文件之間建立的聯(lián)系如圖 21 所示，圖中 是ABAQUS/CAE 在提交給主求解器模塊時(shí)產(chǎn)生的輸入文件，它的修改可以在 ABAQUS/CAE 中關(guān)鍵詞編輯器（ Keywords Editor）里進(jìn)行，也可以在其它文本編譯器中進(jìn)行。 使模型的一部分成為剛性體有助于達(dá)到驗(yàn)證模型的目的。本文中即是將模擬中的落錘簡(jiǎn)化建立成剛體單元，通過(guò)在剛體參考點(diǎn)上施加邊界條件描述落錘的運(yùn)動(dòng)。 圖 24 是在 ABAQUS 中建立的有限元模型圖，模擬圖 22 所示的沖擊過(guò)程。由圖可以看出，當(dāng) V 為 1m/s、 2m/s、 3m/s時(shí)，沖擊荷載產(chǎn)生 后，一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了零值，之后再次產(chǎn)生，這說(shuō)明沖擊過(guò)程中，剛體塊與個(gè)格構(gòu)拱發(fā)生了短暫的分離，之后又發(fā)生了二次碰撞。 觀察圖 28， V=1m/s、 V=5m/s 和 V=10m/s 的豎 向位移差時(shí)程曲線，曲線突變出剛體塊與拱頂開(kāi)始接觸，接觸后位移差的絕對(duì)值繼續(xù)增大，因?yàn)槟Ｐ椭惺軟_擊點(diǎn)梁?jiǎn)卧?B31 節(jié)點(diǎn)為該處鋼管的形心，所以增加的位移代表的意義是剛體塊嵌入拱頂鋼管深度的深度，即受沖擊處鋼管的局部變形。從圖可以看出，當(dāng) 1m/s≤V10m/s 時(shí)，其值隨著沖擊速度的增加而增大，這與彈塑性拱中的塑性變形和塑性耗散第二章 格構(gòu)拱的彈塑性沖擊響應(yīng) 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 能的出現(xiàn)有關(guān)，剛體速度越大，拱吸收的動(dòng)能越大，塑性變形和塑性耗散能越大，能量轉(zhuǎn)化時(shí)間越長(zhǎng)，接觸持續(xù)的時(shí)間也越長(zhǎng)。 圖 216剛體塊嵌入格構(gòu)拱拱頂鋼管最大深度隨質(zhì)量比變化圖 圖 217 為 沖擊荷載最大峰值 隨 質(zhì)量比的 變化趨 勢(shì)圖 。本節(jié)在保持上述有限元模型不變的情況下，模擬了質(zhì)量為 1Kg 的剛體以初始速度 V=10m/s 沖擊跨度 ，矢跨比為 、 、 的 格構(gòu)式鋼管拱的過(guò)程，分析了矢跨比對(duì)沖擊響應(yīng)的影響。由圖可以看出，對(duì)于三種格構(gòu)拱跨度，沖擊荷載時(shí)程曲線形狀基本相同，整個(gè)沖擊過(guò)程中格構(gòu)拱與剛體塊只接觸一次，很快達(dá)到最大峰值，之后沖擊荷載不斷減小，最后趨于零，此時(shí)格構(gòu)拱與剛體分開(kāi)運(yùn)動(dòng)。表 24 列出了格構(gòu)拱三種管壁厚度下的剛體最大嵌入深度和接觸時(shí)間，可見(jiàn)，隨著格構(gòu)拱管壁厚度的增加，剛體塊嵌入格構(gòu)拱拱頂?shù)纳疃葴p小，接觸時(shí)間越來(lái) 越短，且最大嵌入深度變化很小。 （ 2）質(zhì)量比對(duì)沖擊響應(yīng)的影響： 隨著質(zhì)量比的增加，即剛體塊的質(zhì)量越小，剛體塊嵌入格構(gòu)拱拱頂鋼管深度越小，且隨著質(zhì)量比增大，嵌入深度變化趨于不變。隨著格構(gòu)拱跨度的增大，沖擊荷載最大峰值越來(lái)越大，剛體塊嵌入格構(gòu)拱拱頂?shù)纳疃仍龃螅佑|時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)， L= 與 L= 下的剛體嵌入深度幾乎不變。 表 31 格構(gòu)拱 中施加的初始缺陷 屈曲模態(tài) 1 2 3 4 5 幅值 第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動(dòng)力屈曲 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 圖 32 格構(gòu)拱第一階整體屈曲模態(tài)變形圖 動(dòng)力屈曲過(guò)程分析和動(dòng)力屈曲判斷準(zhǔn)則 動(dòng)力屈曲判斷準(zhǔn)則 介紹 動(dòng)力屈曲問(wèn)題中由于增加了時(shí)間參數(shù)，相比于靜力屈曲問(wèn)題要更加復(fù) 雜。 （ 2） Hsu 能量準(zhǔn)則 Hsu[31,45]能量準(zhǔn)則認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)總能量不再減小時(shí)，必然逼近某一臨界點(diǎn) P0，它的值和荷載大小有關(guān)。 （ 4） 王仁能量準(zhǔn)則 王仁 [47]能量準(zhǔn)則看來(lái)有類似的思路 ,王仁能量準(zhǔn)則即有限時(shí)間內(nèi)的塑性動(dòng)力屈曲準(zhǔn)則 ,其基本思想是 :在一定沖擊載荷作用下 ,若對(duì)于它所處基本運(yùn)動(dòng)的任何一個(gè)幾何可能偏離 ,都必將使系統(tǒng)在此偏離過(guò)程中所吸收的能量大于載荷所做的功 ,則它的基本運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的 ,或者說(shuō)對(duì)任何導(dǎo)致屈曲的相對(duì)于前屈曲運(yùn)動(dòng)的任何偏離 ,都將違背能量關(guān)系 ,則屈曲不發(fā)生 . 王仁能量準(zhǔn)則克服了放大函數(shù)法中人為因 素的不足 ,可用于處理非保守系統(tǒng)的動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題 ,特別是可用來(lái)討論短時(shí)超強(qiáng)載荷作用下結(jié)構(gòu)的塑性動(dòng)力屈曲問(wèn)題 ,且其形式簡(jiǎn)單 ,具有較為鮮明的物理意義 . 但是至今只是在受軸向沖擊的圓柱殼中有過(guò)簡(jiǎn)單應(yīng)用，很難在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。 從圖可以看 出 ，當(dāng)t 時(shí)兩個(gè)的 內(nèi)能差變化趨勢(shì)穩(wěn)定并且曲線斜率基本不變 ， 內(nèi)能差穩(wěn)定減小，說(shuō)明 當(dāng) 格構(gòu)拱開(kāi)始受沖擊后完善拱內(nèi)能增加比含缺陷拱要慢； 在 秒左右，內(nèi)能差出現(xiàn)了較為劇烈的 變化，內(nèi)能差開(kāi)始變大，完善拱內(nèi)能增加比含缺陷拱要快，曲線斜率明顯改變， 說(shuō)明格構(gòu)拱發(fā)生動(dòng)力屈曲 。即此時(shí) 刻格構(gòu)拱發(fā)生失穩(wěn)。 由于算例較多，本部分不再詳細(xì)分析比較每個(gè)算例，本部分模擬了速度從 10m/s 變化為 30m/s過(guò)程中屈曲時(shí)間的變化情況，將所得結(jié)果整理為表 32。 表 34 不同質(zhì)量彈塑性格構(gòu)拱臨界沖擊速度 剛體質(zhì)量（ kg） 20 40 60 80 100 Vcr（ m/s） 9 6 5 4 4 圖 312 屈曲時(shí)間隨剛體質(zhì)量的變化趨勢(shì)圖 第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動(dòng)力屈曲 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 30 由表 34 可以看出，當(dāng)剛體質(zhì)量小于 60kg 時(shí)，隨著沖擊質(zhì)量的增大，臨界沖擊速度明顯減小，而當(dāng)剛體質(zhì)量為 60kg 時(shí)，臨界沖擊速度為 5m/s，當(dāng)剛體塊的質(zhì)量為 80kg 和 100kg 時(shí)，屈曲的臨界速度均為 4m/s。 依據(jù)上節(jié)模型信息，保持沖擊速度 V0=10m/s，本部分模擬了剛體塊質(zhì)量 從 20kg 變化為 100kg過(guò)程中屈曲時(shí)間的變化情況，由于算例較多，此處不對(duì)算例進(jìn)行逐一分析，將所得的結(jié)果整理為表 33。 圖 36 彈塑性完善 格構(gòu)拱 和缺陷 格構(gòu)拱 的 最大位移差值 曲線 第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動(dòng)力屈曲 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 26 圖 36 彈塑性完善 格構(gòu)拱 和缺陷 格構(gòu)拱 的 最大速度差值 曲線 圖 38 為當(dāng)沖擊速度為 11m/s 時(shí)，完善 格構(gòu)拱 與含缺陷 格構(gòu)拱 的 內(nèi)能差值 時(shí)程曲線， 參照本文屈曲判定方法， 由圖中得出的屈曲時(shí)間為 。即此時(shí)刻格構(gòu)拱發(fā)生失穩(wěn)。而對(duì)于格構(gòu)拱動(dòng)力屈曲的研究也更關(guān)注使結(jié)構(gòu)喪失承載力的整體屈曲。 （ 3） 放大函數(shù)法 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動(dòng)力屈曲 23 Goodier[46]在研究圓柱殼的塑性動(dòng)力屈曲問(wèn)題時(shí)廣泛地使用了放大函數(shù)法，他假定結(jié)構(gòu)具有某種形式的初始缺陷，這種初始缺陷可能是由于結(jié)構(gòu)幾何不完善或荷載不對(duì)稱引起的。他們認(rèn)為 : 對(duì)于所加荷載的某個(gè)值，如果一個(gè)的微小增量就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)生巨大變化，那么這個(gè)荷載值便是臨界屈曲荷 載。 圖 31 是參照本章第二節(jié)圖 22 建模，跨度L=，矢跨比 ，在 ABAQUS 中用 個(gè)三維線性梁?jiǎn)卧?B31 建立的有限元模型圖，模擬橫向沖擊過(guò)程。而當(dāng) a 時(shí)，即格構(gòu)拱與剛體的質(zhì)量比大于 時(shí)，隨著質(zhì)量比的增大，接觸時(shí)間也隨著質(zhì)量比的增加變化很小，趨于平緩。 當(dāng) 1m/s≤V≤10m/s 時(shí)，隨著沖擊速度的增加，剛體塊嵌入格構(gòu)拱拱頂鋼管深度越大，越不易發(fā)生二次接觸的情況且速度大于 7m/s 時(shí)，嵌入深度趨于不變。本節(jié)在保持上述有限元模型不變的情況下，模擬了質(zhì)量為 20Kg 的剛體以初始速度 V=10m/s 沖擊壁厚為 1mm、 2mm、 3mm的彈塑性格構(gòu)式鋼管拱的過(guò)程，分析了格構(gòu)拱的管壁厚度對(duì)沖擊響應(yīng)的影響。表 22 列出了三種矢跨比下的剛體塊對(duì)拱頂鋼管的最大嵌入深度和沖擊接觸時(shí)間，隨著矢跨比的增大，剛體塊嵌入拱頂鋼管的深度越來(lái)越大，剛體塊與格構(gòu)拱的接觸時(shí)間越來(lái)越短。從圖可以看出，當(dāng) a 時(shí)，即格構(gòu)拱與剛體的質(zhì)量比小于 時(shí)，隨著質(zhì)量比的增大即剛體塊質(zhì)量的減小，接觸時(shí)間迅速減小。 圖 214 和圖 215 為剛體質(zhì)量 即質(zhì)量比在 之間的沖擊荷載時(shí)程曲線。 表 21 V=1m/s到 V=10m/s 的剛體塊嵌入格構(gòu)拱拱頂鋼管最大深度 V(m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 最大嵌入深度（ mm） 圖 212 為所有模擬情形下沖擊荷載最大峰值隨沖擊速度的變化曲線圖。其中模型中拱頂受沖擊點(diǎn)為拱頂處梁?jiǎn)卧?B31 節(jié)點(diǎn)，根據(jù)梁?jiǎn)卧慕孛嫘再|(zhì)，即為該處圓鋼管截面幾何中心。最后通過(guò) ABAQUS 后處理器得到格構(gòu)式鋼拱在沖擊荷載作用下的接觸反力、沖擊接觸時(shí)間、 Mises應(yīng)力、豎向位移、能量值等 計(jì)算結(jié)果。 圖 23 格構(gòu)拱等腰三角形截面 有限元模型的建立 采用 ABAQUS/Explicit 軟件模擬圖 22 所示的沖擊碰撞模型。剛性體單元不再進(jìn)行單元層次的計(jì)算，其參 考點(diǎn)的最多 6 個(gè)自由度就完全確定了剛性體的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)在剛性體參考點(diǎn)上施加載荷，或者在節(jié)點(diǎn)上或部分剛體單元上施加載荷形成剛體上的載荷。再根據(jù)本構(gòu)關(guān)系計(jì)算應(yīng)力 ? ， )d,|(| )()( ??? ttt f??? （ 34） 然后集成節(jié)點(diǎn)內(nèi)力 )(| ttI ?? ，最后設(shè)置時(shí)間 t 為 tt ?? ，返回至節(jié)點(diǎn)計(jì)算。 ABAQUS 主要由部件、特性、裝配、分析步、相互作用、載荷、網(wǎng)格、作業(yè)、可 視化和草圖十個(gè)功能模塊組成。 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 5 綜上所述，可見(jiàn)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于拱的穩(wěn)定性能的研究多是 靜力荷載下的，而對(duì)與格構(gòu)拱的動(dòng)力穩(wěn)定課題也多是對(duì)在地震作用下的拱動(dòng)力響應(yīng)的研究，而在格構(gòu)拱的受沖擊荷載穩(wěn)定研究方面還涉及較少。試驗(yàn)結(jié)果與有限元法分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比 ， 二者吻合良好 ， 有限元法研究鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定具有很高的精度 ； 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了工字形截面拋物線鋼拱平面內(nèi)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法安全可靠 ， 可供設(shè)計(jì)使用。分析考慮損傷和不考慮損傷的鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的破壞峰值加速度、最大節(jié)點(diǎn)位移和破壞位置的不同。 動(dòng)力穩(wěn)定性研究 對(duì)于鋼拱動(dòng)力穩(wěn)定性方面的研究，近年來(lái)開(kāi)展的較少。 Patodi和Jethmalani[22]用幾何非線性有限元跟蹤了跨中受集中荷載的正弦扁拱的屈曲后性能 ,并用一種修正位移增量算法來(lái)加快收斂。 劇錦三，郭彥林 [14]應(yīng)用非線性有限元方法研究了索 拱結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)穩(wěn)定問(wèn)題。它能夠考慮幾何初始缺陷、殘余應(yīng)力的影響并跟蹤鋼拱面內(nèi)失穩(wěn)的荷載位移平衡全過(guò)程路徑，并最終獲得更為準(zhǔn)確的穩(wěn)定承載力。截面為正放三角形的空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu) ,具有受力合理、空間剛度大、節(jié)點(diǎn)處理簡(jiǎn)捷等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此目前的研究更側(cè)重于對(duì)鋼拱結(jié)構(gòu)平面內(nèi)穩(wěn)定性的研究 。沖擊荷載作為一種偶然荷載，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期 可能不會(huì)出現(xiàn)，但是若出現(xiàn)，其值很大，持續(xù)時(shí)間較短，所以對(duì)沖擊荷載的難度較大。 (2) damaged by the elasticplastic large deformation. In two forms the structure are global instability, which happened out of plane. Key words: steel lattice arch， impact load， contact time， dynamic buckling， experimental research III 目 錄 第一章 緒論 .............................................. 1 選題的背景與意義 ................................................... 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .................................................... 2 研究?jī)?nèi)容和方法 .................................................... 5 第二章 格構(gòu)拱的彈塑性沖擊響應(yīng) ............................. 6 ABAQUS 軟件概述 .................................................. 6 模型的建立 ........................................................ 8 各種因素對(duì)彈塑性格構(gòu)拱沖擊響應(yīng)的影響 ............................. 10 本章小結(jié) ......................................................... 19 第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動(dòng)力屈曲 ............................