【正文】 MATLAB軟件小波分析基礎(chǔ)MATLAB是Matrix Laboratory（矩陣實驗室）的縮寫，是以線性數(shù)學軟件包LINPACK和特征值計算軟件EISPACK中子程序為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，運用于科學計算和數(shù)據(jù)可視化的開放型高級編程語言。中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第五章 格構(gòu)拱沖擊試驗結(jié)果分析 第五章 格構(gòu)拱沖擊試驗結(jié)果分析本章在對第四章試驗中所采集到的數(shù)據(jù)進行分析，并將與有限元ABAQUS數(shù)值模擬的結(jié)果進行對比，進而得到格構(gòu)式鋼拱在沖擊作用下的屈曲特性。ABAQUS中的應(yīng)用梁單元可以通過ABAQUS提供的橫截面庫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)來定義一個一般性的梁輪廓，如面積和慣性矩。因此，對本章試驗所用的圓管截面不銹鋼進行了三組材性試驗。1%。 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)式鋼拱過程。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為當沖擊速度為11m/s時，完善格構(gòu)拱與含缺陷格構(gòu)拱的內(nèi)能差值時程曲線，參照本文屈曲判定方法。而對于格構(gòu)拱動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。他們認為: 對于所加荷載的某個值，如果一個的微小增量就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)生巨大變化，那么這個荷載值便是臨界屈曲荷載。而當a，隨著質(zhì)量比的增大，接觸時間也隨著質(zhì)量比的增加變化很小，趨于平緩。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)式鋼管拱的過程，分析了格構(gòu)拱的管壁厚度對沖擊響應(yīng)的影響。從圖可以看出，當a，隨著質(zhì)量比的增大即剛體塊質(zhì)量的減小，接觸時間迅速減小。 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圖。最后通過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、沖擊接觸時間、Mises應(yīng)力、豎向位移、能量值等計算結(jié)果。剛性體單元不再進行單元層次的計算，其參考點的最多6個自由度就完全確定了剛性體的運動。再根據(jù)本構(gòu)關(guān)系計算應(yīng)力， （34）然后集成節(jié)點內(nèi)力，最后設(shè)置時間為，返回至節(jié)點計算。綜上所述，可見國內(nèi)外學者對于拱的穩(wěn)定性能的研究多是靜力荷載下的，而對與格構(gòu)拱的動力穩(wěn)定課題也多是對在地震作用下的拱動力響應(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。分析考慮損傷和不考慮損傷的鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)在強震下的破壞峰值加速度、最大節(jié)點位移和破壞位置的不同。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加快收斂。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程路徑，并最終獲得更為準確的穩(wěn)定承載力。因此目前的研究更側(cè)重于對鋼拱結(jié)構(gòu)平面內(nèi)穩(wěn)定性的研究。 (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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 研究內(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)拱的彈塑性動力屈曲 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 69III中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 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)件的動力行為研究對于揭示復(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。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)。國內(nèi)外關(guān)于拱的沖擊力學行為的研究較少。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]。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。僅有的一些研究也主要借助有限元軟件來實現(xiàn)。 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]。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。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。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(dǎo)入ABAQUS軟件中進行計算與后處理。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，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。 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。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。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。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。圖34 彈塑性含缺陷格構(gòu)拱拱頂橫向位移時程曲線圖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。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）203040506070100(ms)7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。還可以通過操作臺控制提升的高度，即通過控制落錘高度調(diào)節(jié)撞擊速度，撞擊速度可按下式計算：其中，g為重力加速度，H為錘體下落高度。~60176。、。圖 415 受沖擊含缺陷格構(gòu)式鋼拱有限元模型格構(gòu)式鋼拱中引入的初始缺陷為靜力計算的前五階階整體階屈曲模態(tài)，模態(tài)計算時荷載為梁的自重。傅立葉變換，也稱作傅里葉變換，表示能將滿足一定條件的某個函數(shù)表示成三角函數(shù)（正弦和或余弦函數(shù)）或者它們的積分的線性組合。圖51 小波圖形用戶界面效果圖 。這對于某些應(yīng)用來說很恰當，因為信號頻率的信息對其是非常重要的。圖415是在ABAQUS中用三維線性梁單元B31建立的有限元模型圖，模擬橫向沖擊過程。（3）通過調(diào)整落錘高度為撞擊體提供不同的設(shè)計初始速度。其中相貫節(jié)點制作相對便利，工程中采用較多，本試驗也采用的是相貫節(jié)點。本次試驗使用中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院實驗中心的落錘試驗機，如圖41，落錘試驗機可以提供最高可達到15米/秒的撞擊速度，其最大落錘質(zhì)量45kg，配有5kg砝碼兩個，錘體自重25kg。本部分探索了剛體質(zhì)量對彈塑性格構(gòu)式鋼拱拱動力屈曲的影響，保持沖擊速度不變，改變沖擊塊的質(zhì)量大小，得出彈塑性格構(gòu)式鋼拱的屈曲時間隨剛體質(zhì)量的變化情況。圖35為彈塑性含缺陷格構(gòu)拱拱頂?shù)臋M向速度時程曲線，也觀察到在t=，橫向速度波動較大。然而這種荷載上、下界有時可能過于保守, 在必須使用數(shù)值方法分析時, 就有可能丟掉一些平衡點。 有限元模型的建立本章在上文中格構(gòu)式鋼拱沖擊模型的基礎(chǔ)上，保持其他條件不變，模擬了完善格構(gòu)拱和含初始缺陷格構(gòu)拱在剛體橫向沖擊下的動力屈曲過程。而在V8m/s時并未出現(xiàn)此現(xiàn)象，即不發(fā)生二次接觸，隨著沖擊速度的增加，剛體塊與格構(gòu)拱沖擊過程中接觸越緊密。由圖可見，沖擊荷載最大峰值隨著矢跨比的增大而越小。為了便于比較分析，本文中記格構(gòu)式鋼管拱與剛體質(zhì)量的比值為質(zhì)量比a。本文為分析剛體塊與格構(gòu)拱的接觸問題，提取了剛體塊的豎向位移與速度，并將其與個格構(gòu)拱拱頂受沖擊點的豎向位移和速度作比較。拱材料為鋼材，材料性質(zhì)為：密度彈性模量，泊松比，材料模型都采用分段線性塑性模型（Piecewise Linear Plasticity），屈服強度235MPa，強度極限380MPa。通過在剛體參考點上施加邊界條件來控制剛性體的運動。ABAQUS作為通用的模擬軟件，除了能模擬大量結(jié)構(gòu)問題，還可以模擬工程領(lǐng)域中的其他許多問題，例如熱電耦合分析、熱傳導(dǎo)及巖土力學分析等。通過試驗揭示了拋物線鋼拱平面內(nèi)的失穩(wěn)破壞機理，全跨豎向均布荷載作用下拋物線鋼拱發(fā)生不完全反對稱的平面內(nèi)失穩(wěn)破壞，半跨豎向均布荷載作用下拋物線鋼拱發(fā)生反對稱的平面內(nèi)失穩(wěn)破壞；半跨豎向均布荷載作用下拋物線鋼拱的穩(wěn)定承載能力低于全跨豎向均布荷載作用下的穩(wěn)定承載能力。而且現(xiàn)有的研究也多是基于有限元軟件的分析。文獻[8]～[13]運用 ANSYS 軟件進行了一些鋼桁架拱的穩(wěn)定性分析。由方鋼管做弦桿,方鋼管、圓鋼管做腹桿的截面三角形的空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)，已在建筑中得到應(yīng)用，如南京國際展覽中心屋蓋就采用了截面為倒放三角形的空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)[2]。而設(shè)計結(jié)構(gòu)時，通常只考慮永久荷載和可變荷載的組合。根據(jù)判別準則得出：隨著沖擊速度和剛體質(zhì)量的增大，屈曲時間減?。浑S著剛體塊的質(zhì)量增大，臨界沖擊速度減小，當剛體塊質(zhì)量較大時，臨界屈曲速度變化較小。而拱和桁架都能通過其自身的結(jié)構(gòu)特性將彎矩轉(zhuǎn)化為軸力，所以，格構(gòu)拱作為這兩種結(jié)構(gòu)的結(jié)合，其受力更加合理。鋼拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的研究主要包含兩個方向：一是重新探索各種解法，二是利用已有方法，揭示鋼拱結(jié)構(gòu)在不同平衡路徑下的穩(wěn)定性，同時得到相應(yīng)的極限承載力和變形規(guī)律。格構(gòu)拱是一種綜合了拱與桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)點的結(jié)構(gòu)體系，廣泛地應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)中。目前的一些理論研究都選取了圓弧拱進行研究，這是因為圓弧是最簡單的拱軸線形式。 高標[39]采用ANSYS有限元分析軟件對懸挑拱型立體桁架結(jié)構(gòu)地震作用下穩(wěn)定性能進行分析。 本文擬采用的研究方法為：（1）本課題擬采用通用有限元軟件ANSYS以及ABAQUS作為主要的分析軟件，擬通過ANSYS軟件建立參數(shù)化模型，使用具有強大非線性求解能力的有限元軟件ABAQUS中的EXPLICIT模塊來解決高度非線性的動力接觸問題，從而獲得拱受沖擊荷載時瞬時響應(yīng)的數(shù)值解。因此，顯示積分的穩(wěn)定性由最小時間步長來控制，而最小時間步長是由最小單元長度和應(yīng)力波的波速來決定。對于大多數(shù)單元都可以使用剛性體功能，它們都可以成為剛性體的一部分，而不僅僅局限于剛性單元（rigid element）。圖25 V=1m/s、2m/s和3m/s時的沖擊荷載時程曲線圖26 V=4m/s、5m/s和7m/s時的沖擊荷載時程曲線圖27 V=8m/s、9m/s和10m/s時的沖擊荷載時程曲線圖25至圖27為不同速度下沖擊荷載的時程曲線。這是因為隨著格構(gòu)拱進入塑性，塑性變形和塑性耗散能的出現(xiàn)，剛體速度越大，拱吸收的動能越大，二者之間的接觸力也越大。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(dǎo)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。由圖可以看出，對于三種管壁厚度，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，很快達到最大峰值，之后沖擊荷載不斷減小，最后趨于零，此時格構(gòu)拱與剛體分開運動。（3）矢跨比對沖擊響應(yīng)的影響：、對于三種格構(gòu)拱矢