【正文】 移及速度的方法，并不能很好地反應(yīng)格構(gòu)拱的整體運(yùn)動(dòng)情況。本文在以上研究基礎(chǔ)上提出判斷格構(gòu)拱屈曲時(shí)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(shí)刻的內(nèi)能值、拱上最大位移值，在同一坐標(biāo)系下做出完善拱與含缺陷拱內(nèi)能差值時(shí)程曲線(xiàn)與最大位移差值時(shí)程曲線(xiàn)，當(dāng)曲線(xiàn)趨勢(shì)在某一時(shí)刻突然發(fā)生較大變化，判定這個(gè)時(shí)刻即為彈塑性格構(gòu)拱的屈曲時(shí)間。通過(guò)求解運(yùn)動(dòng)方程, 得到未擾動(dòng)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(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載值。這一準(zhǔn)則起源于靜力穩(wěn)定性分析中的極值點(diǎn)失穩(wěn)，由于該準(zhǔn)則易于實(shí)施,被很多研究者所采納。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(diǎn)處定義一個(gè)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。整體來(lái)說(shuō)，隨著剛體質(zhì)量增大，接觸時(shí)間越長(zhǎng)，這是因?yàn)橘|(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(dòng)能也越大，這就導(dǎo)致彈塑性格構(gòu)拱中吸收的動(dòng)能越多，接觸持續(xù)的時(shí)間也越長(zhǎng)。當(dāng)1m/s≤V≤10m/s時(shí)，沖擊荷載最大峰值隨著沖擊速度的增加不斷波動(dòng)變化，整體趨勢(shì)為不斷增大。圖221 不同跨度下的沖擊荷載時(shí)程曲線(xiàn)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）123最大嵌入深度（m）接觸時(shí)間（s）圖221為格構(gòu)拱管壁壁厚為1mm、2mm和3mm時(shí)的沖擊荷載時(shí)程曲線(xiàn)。 拱跨度對(duì)沖擊響應(yīng)的影響對(duì)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(duì)沖擊接觸持續(xù)的時(shí)間，以及沖擊荷載的曲線(xiàn)形狀都會(huì)有一定的影響。而當(dāng)a，隨著質(zhì)量比的增大，接觸時(shí)間變化很小，趨于平緩。由圖可以看出，整個(gè)模擬過(guò)程中剛體與格構(gòu)拱發(fā)生了二次接觸，沖擊荷載時(shí)程曲線(xiàn)的形狀基本一致。由圖可以看出，當(dāng)1m/s≤V10m/s時(shí)，沖擊荷載最大峰值隨著沖擊速度的增加不斷增大。圖28至圖211分別為V=1m/s、V=5m/s和V=10m/s拱頂受沖擊點(diǎn)和剛體塊的豎向位移差和豎向速度差的時(shí)程曲線(xiàn)。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，通過(guò)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(shí)間隨沖擊速度的變化規(guī)律。本章中的有限元幾何模型以及劃分網(wǎng)格都是通過(guò)ANSYS軟件使用APDL語(yǔ)言編寫(xiě)宏文件，進(jìn)行參數(shù)化建模，輸出INP文件，導(dǎo)入ABAQUS軟件中進(jìn)行計(jì)算與后處理。因此，在ABAQUS/Explicit分析中，對(duì)于模擬結(jié)構(gòu)中相對(duì)比較剛性的部分，若其中的波動(dòng)和應(yīng)力分布是不重要的，應(yīng)用剛性體特別有效。通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接和通過(guò)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。時(shí)間步長(zhǎng)的選擇涉及到兩個(gè)方面的約束：一方面由于中心差分法用差分代替積分，且對(duì)位移和加速度的變化采用引申的線(xiàn)性關(guān)系，因此的取值不能過(guò)大；一方面是因?yàn)閿?shù)值穩(wěn)定性問(wèn)題。對(duì)于高度非線(xiàn)性問(wèn)題，用戶(hù)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。 研究?jī)?nèi)容和方法通過(guò)研究希望得到：（1）格構(gòu)式拱受沖擊荷載時(shí)動(dòng)力屈曲運(yùn)動(dòng)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(dòng)力響應(yīng)，研究不同參數(shù)時(shí)動(dòng)力屈曲的變化規(guī)律（3）參照數(shù)值模擬建立試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析差別與優(yōu)缺點(diǎn)，研究格構(gòu)式鋼構(gòu)的受力性能。 陳寶春等進(jìn)行過(guò)兩根鋼管混凝土單圓管肋拱面內(nèi)全過(guò)程試驗(yàn)[42]。同時(shí)考慮行波效應(yīng)，研究單榀鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性地震反應(yīng)。僅有的一些研究也主要借助有限元軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。PiYongLin等[23,24]運(yùn)用非線(xiàn)性彈塑性有限單元模型研究了焊接工字形截面兩鉸、無(wú)鉸圓弧拱平面內(nèi)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)索拱雜交結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)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(guò)程及后屈曲平衡路線(xiàn)。對(duì)于實(shí)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(duì)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(qiáng)度、全跨豎向均布荷載作用下純壓拋物線(xiàn)拱平面內(nèi)穩(wěn)定承載力進(jìn)行研究,考慮了材料非線(xiàn)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(wú)鉸拋物線(xiàn)鋼拱在不同工況下的平面內(nèi)穩(wěn)定設(shè)計(jì)曲線(xiàn)，并與國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)曲線(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比；得出了建議的穩(wěn)定設(shè)計(jì)曲線(xiàn)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(jì)，軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定曲線(xiàn)不能直接用于拱的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，并以拱的正則化長(zhǎng)細(xì)比為基本參數(shù),統(tǒng)一了三鉸、兩鉸和無(wú)鉸純壓拋物線(xiàn)鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定設(shè)計(jì)曲線(xiàn),可用于全跨豎向均布荷載作用下純壓拋物線(xiàn)鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定性設(shè)計(jì),同時(shí)可供實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)使用和制定有關(guān)規(guī)程時(shí)參考。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]。 在研究構(gòu)件的穩(wěn)定問(wèn)題時(shí)，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(duì)拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題的研究。國(guó)內(nèi)外關(guān)于拱的沖擊力學(xué)行為的研究較少。建筑結(jié)構(gòu)為提高結(jié)構(gòu)的效率，在力學(xué)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]。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)。采用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)對(duì)格構(gòu)式鋼拱在沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)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。 (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目 錄第一章 緒論 1 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 21 有限元模型的建立 21 動(dòng)力屈曲過(guò)程分析和動(dòng)力屈曲判斷準(zhǔn)則 22 各種因素對(duì)彈塑性格構(gòu)拱動(dòng)力屈曲的影響 27 本章小結(jié) 30第四章 格構(gòu)拱沖擊試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 31 試驗(yàn)設(shè)備介紹 31 試件設(shè)計(jì)與加工 33 材性試驗(yàn) 35 沖擊試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果分析 40 小波理論與MATLAB基礎(chǔ) 40 信號(hào)去噪 41 應(yīng)變時(shí)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(xiàn) 63致謝 67作者簡(jiǎn)歷 69III中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論第一章 緒論 格構(gòu)式鋼拱介紹拱是一種常見(jiàn)的工程結(jié)構(gòu)，由于許多復(fù)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(dòng)力行為研究對(duì)于揭示復(fù)雜系統(tǒng)的響應(yīng)特性是非常重要的，特別在橋梁、國(guó)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。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。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。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)。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。劇錦三，郭彥林[14]應(yīng)用非線(xiàn)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。Patodi和Jethmalani[22]用幾何非線(xiàn)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。 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。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。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(xiàn)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。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。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。再根據(jù)本構(gòu)關(guān)系計(jì)算應(yīng)力， （34）然后集成節(jié)點(diǎn)內(nèi)力，最后設(shè)置時(shí)間為，返回至節(jié)點(diǎn)計(jì)算。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。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)。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。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。其中模型中拱頂受沖擊點(diǎn)為拱頂處梁?jiǎn)卧狟31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。 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)12345678910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(xiàn)圖。從圖可以看出，當(dāng)a，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。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。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。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。而當(dāng)a，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。圖31是參照本章第二節(jié)圖22建模，跨度L=，在ABAQUS中用個(gè)三維線(xiàn)性梁?jiǎn)卧狟31建立的有限元模型圖，模擬橫向沖擊過(guò)程。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。（3）放大函數(shù)法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(chēng)引起的。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。即此時(shí)刻格構(gòu)拱發(fā)生失穩(wěn)。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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，參照本文屈曲判定方法。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。 本章小結(jié)本章在有限元軟件ABAQUS中建立了合適的模型，模擬了剛體沖擊格構(gòu)式鋼拱過(guò)程。落錘機(jī)配有操作臺(tái)，使用操作臺(tái)通過(guò)控制電路可以提升或下降錘體，使夾具與錘體連接或分離，并可以調(diào)節(jié)移動(dòng)方式為點(diǎn)動(dòng)或自動(dòng)。1%。參考《JGJ/T2492011拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對(duì)于鋼管桁架拱設(shè)計(jì)的規(guī)定，斜腹桿與弦桿的夾角宜控制在30176。因此，對(duì)本章試驗(yàn)所用的圓管截面不銹鋼進(jìn)行了三組材性試驗(yàn)。撞擊速度為8 m/s兩種，落錘質(zhì)量分345公斤兩檔，管徑/壁厚為10/1mm。ABAQUS中的應(yīng)用梁?jiǎn)卧梢酝ㄟ^(guò)ABAQUS提供的橫截面庫(kù)中選擇和指定橫截面的形狀和尺度或應(yīng)用截面工程性質(zhì)來(lái)定義一個(gè)一般性的梁輪廓，如面積和慣性矩。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(diǎn)處定義一個(gè)質(zhì)量單元，賦給其沖擊塊的質(zhì)量m=35Kg，剛體豎向初速度V0為系統(tǒng)的初始條件，V0的數(shù)值參照表41，邊界條件為格構(gòu)式鋼拱的兩端固支。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第五章 格構(gòu)拱沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析 第五章 格構(gòu)拱沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析本章在對(duì)第四章試驗(yàn)中所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將與有限元ABAQUS數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而得到格構(gòu)式鋼拱在沖擊作用下的屈曲特性。但其丟棄的時(shí)域信息可能對(duì)某些應(yīng)用同樣非常重要，所以人們對(duì)傅里葉分析進(jìn)行了推廣，提出了很多能表征時(shí)域和頻域信息的信號(hào)分析方法，如短時(shí)傅里葉變換、Gabor變換、小波變換等。 MATLAB軟件小波分析基礎(chǔ)MATLAB是Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫(xiě)，是以線(xiàn)性數(shù)學(xué)軟件包LINPACK和特征值計(jì)算軟件EISPACK中子程序?yàn)榛A(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，運(yùn)用于科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)可視化的開(kāi)放型高級(jí)編程語(yǔ)言