基于ANSYS的整體張拉索膜結構荷載CAE分析【轉發】

2017-09-05 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1 前言

索膜結構造型優美,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展。整體張拉索膜結構是一種依靠膜自身的張力以及拉索共同組成的結構體系,該類結構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,在此類結構中膜單元可以得到充分張拉,能夠承受一定荷載。由于張拉索膜結構體型輕盈,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、美術館、機場等大跨結構屋蓋工程中得到應用。例如1967年蒙特利爾世博會德國館就是最早的張拉索膜結構,它由8根高低錯落的桅桿支撐起索網結構,在索網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構。

圖一新丹佛國際機場

索膜結構是一種柔性張拉結構,結構自身剛度不能維持一個穩定的初始平衡形狀,依靠預應力提供的幾何剛度對結構內部的機構位移進行約束,賦予結構一定的初始形狀,構成自平衡體系,從而使體系可以成為結構。索膜結構具有強烈的幾何非線性特點,使其具有不同于其他結構的分析和設計方法,因此膜結構的找形和受載分析逐漸成為國內外研究的熱點。ANSYS作為工程模擬的大型通用有限元計算軟件,經過幾十年的發展,在理論和算法上都趨于成熟,特別是在結構非線性(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越性,可以考慮大變形效應、應力剛化效應、預應力效應等,并且可對結構進行模態分析、瞬態動力分析、諧響應分析等動力分析,因此基于ANSYS的索膜結構分析和研究越來越受到科研人員和設計公司的重視。本文結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構體系設計研究中的應用。

2 ANSYS軟件在整體張拉索膜結構承載分析中的應用

2.1ANSYS在結構體系靜力性能分析中的應用

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

依據規范進行了多種荷載組合下的結構體系設計,提取如下典型工況組合進行結構靜力性能分析:工況1:自重+預應力;工況2:自重+全跨活荷載+預應力+降溫;工況3:自重+半跨活荷載+預應力+降溫;工況4:自重+預應力+吸風荷載+降溫。通過ANSYS通用后處理技術,提取工況1-4下結構各構件最大內力、節點最大位移結果列于表1。

分析表1可知:在各荷載組合工況下,吊索、脊索、谷索、環索的應力比(內力與索破斷力之比)均小于0.45,環索節點最大豎向位移為0.695m,滿足承載力和剛度設計要求,結構安全。

2.2ANSYS在結構體系動力特性分析中的應用

索膜結構體型復雜,對風振作用非常敏感,在風動力作用下易表現出強機構性特征,研究膜結構的動力特性非常重要。ANSYS軟件提供了模態分析的功能,可計算線性結構的固有頻率和振型,可進行有預應力模態分析、大變形靜力分析后有預應力模態分析等,能很好的應用于張拉索膜結構的動力特性分析中。應用ANSYS軟件對本文中的結構進行大變形預應力模態分析,首先對結構體系進行靜力求解,得到結構的靜力平衡位置,即結構成形態,動力分析時,取結構成形態作為動力分析的初始態。通過模態分析得到索膜成形態的自振頻率和振型,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。

分析表2及圖3可知:索膜成形態前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,未發生整體扭轉或脊索、谷索的平面外扭轉,說明上覆膜材提高了結構的水平剛度和扭轉剛度。

2.3ANSYS在結構體系彈塑性性能分析中的應用

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,如對結構進行線性靜力分析,結構的剛度不變化,荷載與位移呈線性關系。但是許多問題的荷載與位移為非線性關系,結構剛度是變化的,用線性理論完全不合適,必須用非線性理論解決。結構非線性問題主要有幾何非線性、材料非線性、狀態非線性三類,通常結構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構進行幾何非線性(單非)和幾何、材料雙重非線性(雙非)全過程分析,考察結構在20倍“自重+滿跨活荷載”設計值下加載全過程中的力學響應。考慮應力剛化效應,采用Newton-Raphson法對結構進行非線性方程組求解。考慮膜上預應力的剛度貢獻,將各種使用荷載(馬道、吊掛物荷載、索夾重等)轉化為節點荷載,各種活荷載施加于膜上各節點處,對節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、大應變等功能,通過實常數設置為只受拉不受壓單元,再通過施加初應變的方法對其施加預應力。高強鋼絞線應力-應變曲線沒有明顯的屈服點,超過比例極限后應變非線性增長較快,極限應變取為0.03,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。

ANSYS提供了時間歷程后處理技術,時間歷程后處理器POST26用于處理模型中節點的結果與時間或頻率的關系,主要應用于動力學分析或非線性分析中,如動位移-時間關系、荷載-位移曲線、荷載-應力曲線等。對本文中的結構,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、環索上的一個代表性節點,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。“荷載系數”指所施加荷載與設計荷載的比值。在東、西、南三個方向對吊索、脊索、谷索、環索各選取1根代表性單元,提取索應力變量隨TIME變量變化的結果文本,并通過作圖軟件繪制荷載-索應力曲線,見圖6。分析圖5、6可知環索應力在荷載系數6.2時達到1330MPa進入塑性,“雙非”荷載-位移曲線和荷載-索應力曲線均出現明顯轉折點(稱荷載系數6.2為體系名義屈服點),結構剛度銳減,豎向位移迅速增加。由圖5可知,南吊索應力在荷載系數12時達到1670MPa,率先破壞,南側環索在荷載系數15時應力達到1670MPa而破壞,宣告整個結構的破壞。

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力一直保持為0,即一直處于松弛狀態,以此來模擬吊索或脊索的破斷,用于研究加載過程中結構不同位置的索破斷對結構整體力學響應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的影響。限于篇幅在此不再贅述。

3 結論

通過對整體張拉索膜結構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構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(NEQIT命令)、劃分合理的荷載子步數(NSUBST命令)、定義收斂準則等,ANSYS能夠實現索膜結構的找形和載荷分析,并取得良好的效果。通過分析,揭示了本文中索膜結構的靜力性能、彈塑性性能和動力特性,并為工程實踐提供指導。

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