基于ANSYS的整體張拉索膜結(jié)構(gòu)荷載CAE分析【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-09-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 前言

索膜結(jié)構(gòu)造型優(yōu)美,富于時代氣息,從其誕生起,就得到了工程界的廣泛重視并且得到了長足的發(fā)展。整體張拉索膜結(jié)構(gòu)是一種依靠膜自身的張力以及拉索共同組成的結(jié)構(gòu)體系,該類結(jié)構(gòu)主要由張拉索和上覆膜材料組成,其中拉索分為谷索、脊索和其他輔助索等,在此類結(jié)構(gòu)中膜單元可以得到充分張拉,能夠承受一定荷載。由于張拉索膜結(jié)構(gòu)體型輕盈,造型美觀,材料利用率極高,特別適合于大跨度建筑,因而在體育館、美術(shù)館、機場等大跨結(jié)構(gòu)屋蓋工程中得到應(yīng)用。例如1967年蒙特利爾世博會德國館就是最早的張拉索膜結(jié)構(gòu),它由8根高低錯落的桅桿支撐起索網(wǎng)結(jié)構(gòu),在索網(wǎng)上張拉高強度膜材料。另外1988年美國建成的圣迭戈會議中心展覽廳,以及1993年建成的新丹佛國際機場(見圖1)等均采用了整體張拉索膜結(jié)構(gòu)。

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圖一新丹佛國際機場

索膜結(jié)構(gòu)是一種柔性張拉結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)自身剛度不能維持一個穩(wěn)定的初始平衡形狀,依靠預應(yīng)力提供的幾何剛度對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的機構(gòu)位移進行約束,賦予結(jié)構(gòu)一定的初始形狀,構(gòu)成自平衡體系,從而使體系可以成為結(jié)構(gòu)。索膜結(jié)構(gòu)具有強烈的幾何非線性特點,使其具有不同于其他結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計方法,因此膜結(jié)構(gòu)的找形和受載分析逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點。ANSYS作為工程模擬的大型通用有限元計算軟件,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,在理論和算法上都趨于成熟,特別是在結(jié)構(gòu)非線性(包括幾何非線性和材料非線性)的求解分析方面具有獨特的優(yōu)越性,可以考慮大變形效應(yīng)、應(yīng)力剛化效應(yīng)、預應(yīng)力效應(yīng)等,并且可對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析、瞬態(tài)動力分析、諧響應(yīng)分析等動力分析,因此基于ANSYS的索膜結(jié)構(gòu)分析和研究越來越受到科研人員和設(shè)計公司的重視。本文結(jié)合某一實際工程的算例分析來闡述ANSYS軟件在整體張拉索膜結(jié)構(gòu)體系設(shè)計研究中的應(yīng)用。

2 ANSYS軟件在整體張拉索膜結(jié)構(gòu)承載分析中的應(yīng)用

2.1ANSYS在結(jié)構(gòu)體系靜力性能分析中的應(yīng)用

靜力荷載分析的目的是通過求解由找形分析確定的索膜形態(tài)和曲面形式在各種外荷載組合作用下的變形及索膜內(nèi)力,來檢驗結(jié)構(gòu)剛度是否足夠,結(jié)構(gòu)位移變形是否在允許范圍內(nèi),拉索受力是否合理,也就是說,是否能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,是否會出現(xiàn)過大的變形而導致索松弛或索應(yīng)力過大而影響結(jié)構(gòu)安全性能等,依此來進行結(jié)構(gòu)的幾何選型、材料選用及安全性評估。利用ANSYS軟件對張拉索膜結(jié)構(gòu)進行靜力分析時,吊索、脊索、谷索、環(huán)索均采用LINK10單元,單元選項設(shè)置為只受拉(tensions only),上覆膜材采用SHELL41膜殼單元。索單元的預應(yīng)力通過初始應(yīng)變來施加,膜單元的預應(yīng)力通過降溫來施加。索膜結(jié)構(gòu)在外荷載的作用下會產(chǎn)生較大的幾何變形,故在進行ANSYS分析時,考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性效應(yīng),即計入大變形效應(yīng)(NLGEOM命令)和激活應(yīng)力剛化效應(yīng)(SSTIF命令)。本文所分析結(jié)構(gòu)的純索ANSYS模型及覆膜后的ANSYS模型見圖2。

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依據(jù)規(guī)范進行了多種荷載組合下的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計,提取如下典型工況組合進行結(jié)構(gòu)靜力性能分析:工況1:自重+預應(yīng)力;工況2:自重+全跨活荷載+預應(yīng)力+降溫;工況3:自重+半跨活荷載+預應(yīng)力+降溫;工況4:自重+預應(yīng)力+吸風荷載+降溫。通過ANSYS通用后處理技術(shù),提取工況1-4下結(jié)構(gòu)各構(gòu)件最大內(nèi)力、節(jié)點最大位移結(jié)果列于表1。

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分析表1可知:在各荷載組合工況下,吊索、脊索、谷索、環(huán)索的應(yīng)力比(內(nèi)力與索破斷力之比)均小于0.45,環(huán)索節(jié)點最大豎向位移為0.695m,滿足承載力和剛度設(shè)計要求,結(jié)構(gòu)安全。

2.2ANSYS在結(jié)構(gòu)體系動力特性分析中的應(yīng)用

索膜結(jié)構(gòu)體型復雜,對風振作用非常敏感,在風動力作用下易表現(xiàn)出強機構(gòu)性特征,研究膜結(jié)構(gòu)的動力特性非常重要。ANSYS軟件提供了模態(tài)分析的功能,可計算線性結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,可進行有預應(yīng)力模態(tài)分析、大變形靜力分析后有預應(yīng)力模態(tài)分析等,能很好的應(yīng)用于張拉索膜結(jié)構(gòu)的動力特性分析中。應(yīng)用ANSYS軟件對本文中的結(jié)構(gòu)進行大變形預應(yīng)力模態(tài)分析,首先對結(jié)構(gòu)體系進行靜力求解,得到結(jié)構(gòu)的靜力平衡位置,即結(jié)構(gòu)成形態(tài),動力分析時,取結(jié)構(gòu)成形態(tài)作為動力分析的初始態(tài)。通過模態(tài)分析得到索膜成形態(tài)的自振頻率和振型,并分析其自振特性。提取前10階自振頻率和振型見表2,前4階振型圖見圖3。

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分析表2及圖3可知:索膜成形態(tài)前10階振型均為西面屋蓋索膜的上下局部振動。這是由于西面屋蓋懸挑長度最長,因此剛度相對較弱,自振頻率比屋蓋其他方向小。模型前10階振型均為上下局部振動,未發(fā)生整體扭轉(zhuǎn)或脊索、谷索的平面外扭轉(zhuǎn),說明上覆膜材提高了結(jié)構(gòu)的水平剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。

2.3ANSYS在結(jié)構(gòu)體系彈塑性性能分析中的應(yīng)用

對于許多工程問題,近似地用線性理論來處理可使計算簡單切實可行,并符合工程的精度要求,如對結(jié)構(gòu)進行線性靜力分析,結(jié)構(gòu)的剛度不變化,荷載與位移呈線性關(guān)系。但是許多問題的荷載與位移為非線性關(guān)系,結(jié)構(gòu)剛度是變化的,用線性理論完全不合適,必須用非線性理論解決。結(jié)構(gòu)非線性問題主要有幾何非線性、材料非線性、狀態(tài)非線性三類,通常結(jié)構(gòu)非線性不是單純某類問題,如可能要同時考慮幾何和材料非線性問題,稱為雙重非線性問題,這些問題ANSYS均可解決。

運用ANSYS軟件對本文中的張拉索膜結(jié)構(gòu)進行幾何非線性(單非)和幾何、材料雙重非線性(雙非)全過程分析,考察結(jié)構(gòu)在20倍“自重+滿跨活荷載”設(shè)計值下加載全過程中的力學響應(yīng)?？紤]應(yīng)力剛化效應(yīng),采用Newton-Raphson法對結(jié)構(gòu)進行非線性方程組求解。考慮膜上預應(yīng)力的剛度貢獻,將各種使用荷載(馬道、吊掛物荷載、索夾重等)轉(zhuǎn)化為節(jié)點荷載,各種活荷載施加于膜上各節(jié)點處,對節(jié)點分若干荷載步逐步加載。對材料進行彈塑性分析時,索單元采用LINK180三維有限應(yīng)變桿單元,LINK180單元可考慮材料的非線性,具有塑性、蠕變、大變形、大應(yīng)變等功能,通過實常數(shù)設(shè)置為只受拉不受壓單元,再通過施加初應(yīng)變的方法對其施加預應(yīng)力。高強鋼絞線應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服點,超過比例極限后應(yīng)變非線性增長較快,極限應(yīng)變?nèi)?.03,所以這里采用Von Mises屈服準則和隨動強化準則的多線性模型,見圖4。

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ANSYS提供了時間歷程后處理技術(shù),時間歷程后處理器POST26用于處理模型中節(jié)點的結(jié)果與時間或頻率的關(guān)系,主要應(yīng)用于動力學分析或非線性分析中,如動位移-時間關(guān)系、荷載-位移曲線、荷載-應(yīng)力曲線等。對本文中的結(jié)構(gòu),分別選取東西向和南北向兩處最大位移處附近的脊索、谷索、環(huán)索上的一個代表性節(jié)點,通過ANSYS時間歷程后處理器功能,提取豎向位移變量隨TIME變量變化的結(jié)果文本,并通過作圖軟件作出荷載-豎向位移曲線見圖5,位移豎向下為正值,向上為負?！昂奢d系數(shù)”指所施加荷載與設(shè)計荷載的比值。在東、西、南三個方向?qū)Φ跛?、脊索、谷索、環(huán)索各選取1根代表性單元,提取索應(yīng)力變量隨TIME變量變化的結(jié)果文本,并通過作圖軟件繪制荷載-索應(yīng)力曲線,見圖6。分析圖5、6可知環(huán)索應(yīng)力在荷載系數(shù)6.2時達到1330MPa進入塑性,“雙非”荷載-位移曲線和荷載-索應(yīng)力曲線均出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(稱荷載系數(shù)6.2為體系名義屈服點),結(jié)構(gòu)剛度銳減,豎向位移迅速增加。由圖5可知,南吊索應(yīng)力在荷載系數(shù)12時達到1670MPa,率先破壞,南側(cè)環(huán)索在荷載系數(shù)15時應(yīng)力達到1670MPa而破壞,宣告整個結(jié)構(gòu)的破壞。

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此外運用ANSYS中施加溫度體荷載的方法(BFE命令),對某根吊索或脊索進行升溫,使其在整個加載過程中應(yīng)力一直保持為0,即一直處于松弛狀態(tài),以此來模擬吊索或脊索的破斷,用于研究加載過程中結(jié)構(gòu)不同位置的索破斷對結(jié)構(gòu)整體力學響應(yīng)的影響及影響程度的不同,并分析斷索對其臨近的索膜力學響應(yīng)的影響。限于篇幅在此不再贅述。

3 結(jié)論

通過對整體張拉索膜結(jié)構(gòu)工程實際問題的計算分析,可以知道,利用ANSYS有限元軟件可以對索膜結(jié)構(gòu)的非線性問題進行準確的模擬和計算分析。通過單元的有效選擇,模型的合理簡化,邊界條件的合理設(shè)置以及載荷的正確施加,并運用ANSYS提供的各種幫助收斂的選項,如選擇合適的非線性方程的求解方法,定義平衡迭代的最大次數(shù)(NEQIT命令)、劃分合理的荷載子步數(shù)(NSUBST命令)、定義收斂準則等,ANSYS能夠?qū)崿F(xiàn)索膜結(jié)構(gòu)的找形和載荷分析,并取得良好的效果。通過分析,揭示了本文中索膜結(jié)構(gòu)的靜力性能、彈塑性性能和動力特性,并為工程實踐提供指導。

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