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受沖擊格構(gòu)式鋼拱彈塑性失穩(wěn)數(shù)值模擬與試_驗研究畢業(yè)論文(完整版)

2024-08-21 08:37上一頁面

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【正文】 21 有限元模型的建立 ................................................. 21 動力屈曲過程分析和動力屈曲判斷準則 ............................... 22 各種因素對彈塑性格構(gòu)拱動力屈曲的影響 ............................. 27 本章小結(jié) ......................................................... 30 第四章 格構(gòu)拱沖擊試驗方案設(shè)計 ............................ 31 試驗設(shè)備介紹 ..................................................... 31 試件設(shè)計與加工 ................................................... 33 材性試驗 ......................................................... 35 沖擊試驗步驟 ..................................................... 37 有限元數(shù)值模擬 ................................................... 38 本章小結(jié) ......................................................... 39 第五章 格構(gòu)拱沖擊試驗結(jié)果分析 ............................ 40 小波理論與 MATLAB 基礎(chǔ) .......................................... 40 信號去噪 ......................................................... 41 應(yīng)變時程分析 ..................................................... 43 破壞形態(tài)及屈曲形狀分析 ........................................... 52 本章小結(jié) ......................................................... 59 第六章 結(jié)論與展望 ....................................... 61 結(jié)論 ............................................................. 61 展望 ............................................................. 62 參考文獻 ................................................ 63 致謝 .................................................... 67 作者簡歷 ................................................ 69 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第一章 緒論 1 第一章 緒論 選題的背景與意義 格構(gòu)式鋼拱介紹 拱是一種常見的工程結(jié)構(gòu),由于許多復雜系統(tǒng)是由梁、板、拱、殼等結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成,而這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動力行為研究對于揭示復雜系統(tǒng)的響應(yīng)特性是非常重要的,特別在橋梁、國防、航天航空等工程中,常常作為承受沖擊 荷載 的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。 采用應(yīng)變電測技術(shù)對格構(gòu)式鋼拱在沖擊作用下的動力響應(yīng)進行試驗研究, 發(fā)現(xiàn)格構(gòu)式鋼 拱在落錘的沖擊作用下 結(jié)構(gòu)破壞形式有兩種情況,分別為:( 1)支座處破壞;( 2)彈塑性大變形破壞。在兩種破壞形式下結(jié)構(gòu)均發(fā)生整體失穩(wěn),且為平面外失穩(wěn)。建筑結(jié)構(gòu)為提高結(jié)構(gòu)的效率,在力學角度都遵循將外荷載產(chǎn)生的彎矩轉(zhuǎn)化為構(gòu)件的軸向拉壓力的規(guī)律 [1]。國內(nèi)外關(guān)于拱的沖擊力學行為的研究較少。 在研究構(gòu)件的穩(wěn)定問題時,我們通常采用解析方法和數(shù)值方法,這兩種方法同樣適用于對拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的研究。特別之處在于 ,該體系的檁條可沿縱向懸掛在下弦之間 ,使屋面位于下弦處 ,既減小了檁條跨度 ,又節(jié)約了建筑空間 ,并具有良好的采光效果 ,是一種很有推 廣前景的結(jié)構(gòu)體系 [3]。 對于實腹式鋼拱, 林冰 ,郭彥林 [5,6,7]采用大撓度彈塑性有限單元法對均勻受壓兩鉸圓弧鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定性、均勻受壓等截面三鉸圓弧鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定性和極限強度、全跨豎向均布 荷載作用下純壓拋物線拱平面內(nèi)穩(wěn)定承載力進行研究 ,考慮了材料非線性、殘余應(yīng)力、初始幾何缺陷和矢跨比的影響 , 得到了熱軋圓管截面、焊接工字形截面和焊接箱形截面三鉸、兩鉸和無鉸拋物線鋼拱在不同工況下的平面內(nèi)穩(wěn)定設(shè)計曲線,并與國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的設(shè)計曲線進行了對比;得出了建議的穩(wěn)定設(shè)計曲線可用于均勻受壓兩鉸圓弧鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定性設(shè)計,軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定曲線不能直接用于拱的穩(wěn)定性設(shè)計,并以拱的正則化長細比為基本參數(shù) ,統(tǒng)一了三鉸、兩鉸和無鉸純壓拋物線鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定設(shè)計曲線 ,可用于全跨豎向均布荷載作用下純壓拋物線鋼拱 的平面內(nèi)穩(wěn)定性設(shè)計 ,同時可供實際設(shè)計時使用和制定有關(guān)規(guī)程時參考。通過對索 拱雜交結(jié)構(gòu)的非線性穩(wěn)定分析獲得,索可以非常有效地控制拱結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和破壞模式,提高其極限承載能力,并影響破壞過程及后屈曲平衡路線。 PiYongLin等 [23,24]運用非線性彈塑性有限單元模型研 究了焊接工字形截面兩鉸、無鉸圓弧拱平面內(nèi)穩(wěn)定性設(shè)計方法。僅有的一些研究也主要借助有限元軟件來實現(xiàn)。同時考慮行波效應(yīng),研究單榀鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)。 陳寶春等進行過兩根鋼管混凝土單圓管肋拱面內(nèi)全過程試驗 [42]。 研究內(nèi)容和方法 通過研究希望得到: ( 1)格構(gòu)式拱受沖擊荷載時動力屈曲運動的有效有限元模擬方法; ( 2)模擬不同參數(shù)(沖擊速度、剛體質(zhì)量、矢跨比、跨度等)下 格構(gòu) 拱的動力響應(yīng),研究不同參數(shù)時動力屈曲的變化規(guī)律 ( 3)參照數(shù)值模擬建立試驗,試驗結(jié)果和數(shù)值結(jié)果進行對比,分析差別與優(yōu)缺點,研究格構(gòu)式鋼構(gòu)的受力性能。對于高度非線性問題,用戶只需要提供相關(guān)的工程數(shù)據(jù),如結(jié)構(gòu)的幾何信息、材料性質(zhì)、邊界條件及荷載情況。 時間步長 t? 的選擇涉及到兩個方面的約束:一方面由于中心差分法用差分代替積分,且對中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第二章 格構(gòu)拱的彈塑性沖擊響應(yīng) 7 位移和加速度的變化采用引申的線性關(guān)系,因此 t? 的取值不能過大;一方面是因為數(shù)值穩(wěn)定性問題。通過節(jié)點連接和通過接觸可變形的單元,剛體與模型中的其他部分發(fā)生相互作用。因此,在 ABAQUS/Explic it 分析中,對于模擬結(jié)構(gòu)中相對比較剛性的部分,若其中的波動和應(yīng)力分布是不重要的,應(yīng)用剛性體特別有效。本章中的有限元幾何模型以及劃分網(wǎng)格都是通過 ANSYS 軟件使用 APDL 語言編寫宏文件,進行參數(shù)化建模,輸出 INP 文件,導入 ABAQUS 軟件中進行計算與后處 理。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,通過處理這些數(shù)據(jù),得到了彈塑性格構(gòu)拱的沖擊荷載和接觸時間隨沖擊速度的變化規(guī)律。圖 28 至圖 211 分別為 V=1m/s、 V=5m/s和 V=10m/s 拱頂受沖擊點和剛體塊的豎向位移差和豎向速度差的時程曲線。由圖可以看出,當1m/s≤V10m/s 時,沖擊荷載最大峰值隨著沖擊速度的增加不斷增大。由圖可以看出,當 a 為 時,整 個模擬過程中剛體與格構(gòu)拱發(fā)生了二次接觸,沖擊荷載時程曲線的形狀基本一致。而當 a 時,隨著質(zhì)量比的增大,接觸時間變化很小,趨于平緩。 拱跨度 對沖擊 響應(yīng) 的影響 對于一定質(zhì)量的剛體,在同一沖擊速度下,同一矢跨比格構(gòu)式鋼拱的跨度不僅影響沖擊荷載的大小,對沖擊接觸持續(xù)的時間,以及沖擊荷載的曲線形狀都會有一定的影響。 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第二章 格構(gòu)拱的彈塑性沖擊響應(yīng) 19 圖 221 不同 跨度 下的沖擊荷載時程曲線 表 24 不同管壁厚度的 剛體塊嵌入格構(gòu)拱拱頂鋼管最大深度 管壁厚度( mm) 1 2 3 最大嵌入深度( m) 接觸時間( s) 圖 221 為格構(gòu)拱管壁壁厚為 1mm、 2mm 和 3mm 時的沖擊荷載時程曲線。 當 1m/s≤V≤10m/s 時,沖擊荷載最大峰值隨著沖擊速度的增加不斷波動變化,整體趨勢為不斷增大。整體來說,隨著剛體質(zhì)量增大,接觸時間越長,這是因為質(zhì)量比 a 越小,剛體質(zhì)量越大,同樣的初始速度,剛體具有的動能也越大,這就導致彈塑性格構(gòu)拱中吸收的動能越多,接觸持續(xù)的時間也越長。模型中沖擊塊用剛性單元模擬,在剛體上方的剛性參考節(jié)點處定義一個質(zhì)量單元,賦給其沖擊塊的質(zhì)量 m,剛體豎向初速度 v 為系統(tǒng)的初始條件,邊界條件為梁的兩端固支。這一準則起源于靜力穩(wěn)定性分析中的極值點失穩(wěn),由于該準則易于實施 ,被很多研究者所采納。通過求解運動方程 , 得到未擾動部分解的具體形式,取臨界屈曲荷載為初始缺陷放大到規(guī)定值時所對應(yīng)的荷載值。本文在以上研究基礎(chǔ)上提出判斷格構(gòu)拱屈曲時刻的方法:提取 完善格構(gòu)拱與含初始缺陷格構(gòu)拱的每一時刻的內(nèi)能值、拱上最大位移值,在同一坐標系下做出完善拱與含缺陷拱內(nèi)能差值時程曲線與最大位移差值時程曲線,當曲線趨勢在某一時刻突然發(fā)生較大變化,判定這個時刻即為彈塑性格構(gòu)拱的屈曲時間。 圖 34 彈塑性含缺陷格構(gòu)拱拱頂 橫向 位移 時程曲線 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動力屈曲 25 圖 35 彈塑性含缺陷 格構(gòu)拱拱頂 橫向速度時程曲線 因為格構(gòu)式鋼拱的鋼管局部屈曲對結(jié)構(gòu)承載力影響較小,并不影響使用,格構(gòu)拱的屈曲判定更為關(guān)注的是格構(gòu)拱的整體屈曲破壞,所以取格構(gòu)式鋼拱拱頂觀測橫向位移及速度的方法,并不能很好地反應(yīng)格構(gòu)拱 的整體運動情況。圖 39 給出了此沖擊速度下完善 格構(gòu)拱 與含缺陷 格構(gòu)拱 的 最大位移差值 時程曲線 , 由此 圖得出的屈曲時間為 ,兩者數(shù)值依然很接近 。 表 33 剛體塊質(zhì)量對彈塑性格構(gòu)拱屈曲時間的影響 質(zhì)量( kg) 20 30 40 50 60 70 100 bt (ms) 7 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第三章 格構(gòu)拱的彈塑性動力屈曲 29 圖 311 屈曲時間隨剛體質(zhì)量的變化趨勢圖 表 33 和圖 311 顯示了彈塑性格構(gòu)式鋼拱屈曲時間隨剛體質(zhì)量的變化趨勢圖,由圖可知,整體而言,隨著剛體質(zhì)量的增大,屈曲 時間逐漸減小,在剛體質(zhì)量在 20kg 到 40kg 的區(qū)間內(nèi)時,屈曲時間變化較快,迅速減小,在質(zhì)量大于 40kg 時,彈塑性格構(gòu)式鋼拱的屈曲時間變化趨勢趨于平緩,隨著剛體質(zhì)量的增加,屈曲時間緩慢減小。本部分模擬了剛體塊質(zhì)量從 20kg 變化為 100kg 過程中臨界沖擊速度的變化情況,由于算例較多,此處不 對算例進行逐一分析,將所得的結(jié)果整理為表 34。 各種因素對彈塑性格構(gòu)拱 動力屈曲的影響 沖擊速度對彈塑性格構(gòu)拱動力屈曲的影響 本文第二章較為詳細的介紹了沖擊速度對沖擊荷載的影響,由第二章的結(jié)論可知,沖擊荷載的峰值和接觸時間是和沖擊速度成正比的關(guān)系,為了探索沖擊速度對拱動力屈曲的影響,在上節(jié)算例的基礎(chǔ)上,改變沖擊速度 V,利用上節(jié)所得出的利用內(nèi)能差值和最大位移差值判斷拱動力屈曲的方法,得到?jīng)_擊速度對格構(gòu)拱拱動力屈曲的影響。 圖 36 為彈塑性完善格構(gòu)拱和缺陷格構(gòu)拱的最大位移差值曲線,可以當 t< 時完善拱與含缺陷拱整體結(jié)構(gòu)最大位移基本一致,當 t=,最大位移差值產(chǎn)生變化,絕對值迅速增加,說明在此時刻格構(gòu)拱已經(jīng)失穩(wěn);圖 37 為彈塑性完善格構(gòu)拱和缺陷格構(gòu)拱的最大速度差值曲線,也觀察到在 t= 秒時刻,最大速度差值曲線波動較大。 圖 33 給出了 完善 格構(gòu)拱 和含初始缺陷 格構(gòu)拱 的內(nèi)能 差值時程曲線。但放大函數(shù)法中至少要有一個具有雙曲函數(shù)的形式,如果不能給出按指數(shù)形式增長的解,該準則就失效了。但是應(yīng)用 BR 準則時需要選取合理的動力響應(yīng)特征參數(shù) , 最需要注意的是如何確定結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的巨大變化 , 這些都很難有比較統(tǒng)一的標準。 構(gòu)件初始變形在有限元建模中統(tǒng)一考慮為為拱跨度的1/1000,依據(jù)于此, 不同特征模態(tài)的擾動量級如表 31 所示。 ( 4)跨度對沖擊響應(yīng)的影響: 取格構(gòu)拱跨度為 2m、 和 ,對于三種格構(gòu)拱跨度,沖擊荷載時程曲線形狀基本相同,整個沖擊過程中格構(gòu)拱與剛體塊只接觸一次。 當 1m/s≤V≤10m/s 時,沖擊接觸時間隨著沖擊速度的增加呈現(xiàn)顯著增大,這與彈塑性拱中的第二章 格構(gòu)拱的彈塑性沖擊響應(yīng) 中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 20
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