工程网架结构参数化建模和动力特性分析

1、工程网架结构参数化建模和动力特性分析摘 要网架结构是较好的大跨度屋盖结构形式，具有空间受力、刚度大、节省钢材、抗振性能好、建筑高度较小、造型美观等。目前，已有大型体育馆、展览厅、影剧院、工业厂房、仓库等千余座工程的屋盖采用网架结构，其广泛的应用前景促使人们对其展开深入研究。本课题就是将体育馆网架结构简化为双层网架结构模型，通过有限元软件ANSYS对其进行分析对计算结果的分析提出结构改进方案，对验证原设计和指导设计修改有重大的意义。在本课题中通过有限元分析软件自带的APDL语言实现网架的参数化建模，施加约束及加载，可以很有效的缩短网架的建模的时间，简化了网架的建模过程。通过ANSYS对网架在两种

2、不同的支承情况下的静力分析进行比较，可发现网架的变形规律即网架的变形在X、Y、Z 方向都会交替出现，但在Z方向为主要变形。同时杆件的内力分布得出了不同约束时产生了变号，从而在工程实际施工中应给予考虑。用模态分析确定了网架结构的十阶模态振型及固有频率，便可以在设计与改进时使网架结构的固有频率避开其在使用过程中的外部激振频率。同时为之后的谱响应分析奠定基础。通过进一步的随机振动谱分析，采用地震波对网架结构进行计算，找出危险点的响应频率，从而使网架在工程实际情况中避免易产生共振的频率即网架的低阶频率。 关键词：双层网架；有限元法；静力分析；模态分析；谱分析Abstratthousands of Th

3、is subject is about making grid structure of gymnasium simplify to double-layer grids model,using finite element software ANSYS to analysis,then pose the plan of improved structure according to the results .It has great meaning to test originaldesign and guide design modify.In self simultaneous APDL

4、 language realizes the net rack among the problem by the fact that finite element method analyses a software parameterization build a model, Exert constraint and loading , can be effective shortening the process having covered the time building a model as with a net , having simplified covering a ra

5、ck as with a net to build a model.Analyse the comparison being in progress by the fact that ANSYS puts up static force under two kinds different supporting condition to the net, Network can be found deformation that the grid deformation in X, Y, Z direction will take turns, But in Z direction as the

6、 main deformation. Meanwhile bar distribution of internal forces come to different constraints arising from the change, so the actual construction works should be considered.Using modal analysis tothe grid structure of the 10-modal shape and natural frequency, we will be able to design and make impr

7、ovements to the grid structure to avoid its natural frequency in the course of the external excitation frequency. After the same time as the harmonic response lay the foundation for analysis.Through further random vibration spectrum analysis, seismic wave of network structure, identify dangerous spo

8、ts response frequency, so that the network in practical situations to avoid easy resonance frequency that grid of the lower frequency. Key word:Double-layer grids；Finite element method；Static；Mode analysis；Spectrum analysis目 录第一章 绪 论5. 前 言5. 课题背景6. 工程网架结构的概况及发展方向7. 有限元法的概述91.4.1 有限元法发展概况91.4.2 有限元法的

9、基本理论10第二章 工程网架结构简介102.1网架结构的几何不变性分析102.2 网架结构的形式122.3 工程网架结构主要技术参数16第三章 工程网架结构的有限元分析173.1 有限元软件的发展趋势173.2 有限元分析软件ANSYS183.3 有限元进行工程分析的一般过程20第四章 工程网架结构参数化建模及动力特性分析204.1 工程网架结构的有限元建模204.1.1 模型简化与假设204.1.2 单元简介214.1.3 实常数的确定214.1.4 确定建模方案214.2 工程网架结构的静力分析234.2.1 线性静力学分析概述234.2.2 结构静力计算234.2.3 施加约束和加载24

10、4.2.4 求解及后处理264.3 工程网架结构的模态分析324.3.1 模态分析理论基础32模态分析基本理论33网架有限元模态分析344.4 工程网架结构的谱分析374.4.1 基本假定网架结构地震反应分析的基本原理374.4.2 网架结构的地震反应分析374.4.3 网架结构的随机振动谱分析38结 论41附 录42后 记45主要参考文献46第一章 绪 论. 前 言随着人类物质文明与精神文明的发展与提高，空间结构越来越受到人们的青睬。二十世纪以来，在全世界范围内空间结构都得到了很大的发展。空间结构经过一个世纪的不断发展，在结构形式方面，除了网架、网壳之外，膜结构、张拉整体体系、开闭屋盖、可折

11、叠结构等都是空间结构的新成员。在空间结构领域中，网架结构以其造型美观、整体刚度好、抗振性能好、制造安装方便、能较好满足多功能需要等特点，在体育馆、展览厅、影剧院、工业厂房、仓库、飞机库等各类建筑中获得了广泛的应用，从而在空间结构领域中占有重要的地位。网架结构的设计与施工技术日趋成熟，网架的结构规模不断扩大，不论在工程实践还是在理论研究方面都取得了长足的进步。本篇论文就选择了双层网架结构作为研究。网架结构是采用大致相同的格子或尺寸较小的单元有规律的布置而组成的空间杆系结构。杆件主要承受轴力作用，截面尺寸相对较小，这些空间交叉的杆件又互为支撑，将受力杆件与支持系统有机地结合起来，因而用才经济，具有

12、良好的空间受力性能。由于结构组成的规律性，大量杆件和节点的形状、尺寸相同，利于工厂成批生产，促成了经济的大跨度网架的出现。目前，由于计算机的推广与大量应用，及网架体系在一定假设基础上的日益完善，有限元法成为最主要的计算方法。它适用于分析各类型网架，可考虑不同边界条件和支撑方式，承受任意载荷，网架与下部支撑的共同作用。有限元技术已经成为计算机辅助分析的核心。用CAE方法可以减少或避免物理测试过程，通过计算机模拟各种载荷工况下零件或结构的工作状况，准确计算其变形和应力，使产品在设计阶段就能够对其各项性能进行评估，及早发现设计上存在的问题，从而大大缩减设计研发周期。ANSYS软件是融结构、热、流体、

13、声学与一体，以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，可广泛应用与机械制造、石油化、轻工、造船、航天航汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电等一般工业及科学研究。它具有强大而广泛的分析功能、一体化的处理技术。基于此，本课题选用了双层网架作为研究对象，采用了美国建筑结构三维有限元分析软件ANSYS软件作为研究工具，首先在ANSYS中建立了网架的参数化模型，然后进行静、动力特性分析，以找出杆件内力分布、变形规律、固有频率及在地震作用下的位移响应。对验证原设计和指导设计修改有重大的意义。. 课题背景网架结构是一种高次超静定的空间结构，在国内外大跨度建筑中得到了广泛的应用。对于工程实际来讲，结构

14、设计方案应当是经济合理的，因此只有采用优化设计方法才能较好地适应这方面的要求。而近年来网架结构倒塌事故的发生，使得人们对网架结构非线性行为的研究产生了浓厚的兴趣。由于它们的倒塌是突然发生的，因此在破坏前无明显预兆。空间网架的这种“脆性行为”已由一些实验结果和理论分析所证实。因此要想全面地描述网架结构的性能，以使结构设计具有足够的可靠性，必须分析网架结构的极限行为,从而达到在优化设计的基础上提高结构安全度的目的。这对于实际工程来说具有非常重要的意义。在工程网架的设计过程中将优化结果进行极限分析就可以得到结构的极限承载力，而在极限分析的基础上增大一些杆件的面积，则可以提高结构的极限承载力，但从极限

15、设计的角度来说，按线弹性理论所进行的结构优化设计并不是一个最好的结果，结构尚具有很大的承载潜力。因此可以将结构优化设计、地震响应分析和极限分析相结合并使截面调整过程自动化来对整个动力特性进行分析。目前可以用多种方法对建筑结构动力特性参数进行反演，包括理论方法、实验方法，理论和实验相合的方法以及计算机仿真。通过本课题的研究，试图建立一种参数化的有限元模型，通过模态分析，找出这种类型的空间网架的固有频率和模态振型，以便在设计和改进时使网架的固有频率避开其使用过程中的外部激励频率。我国对网架的研究上也取得了一定的研究成果，如三角锥网架的压杆稳定性能试验研究等。但对建立网架的参数化有限元模型等研究，现

16、有文献记录较少。因此，本课题的研究有一定的前沿性。且与生产实践密切相关，有较好的应用前景。本课题来自网架施工单位，在保证安全的前提下，提高设计效率，降低成本是现代企业的目标。目前，空间网架的发展主要动向是实现最优化（采用计算机辅助设计）、轻量化、通用化、系列化；国外空间网架的设计施工和发展迅速，技术水平不断提高。而国内很多单位仍沿用传通的设计方法，周期长，设计效率低。如采用有限元分析和优化设计，可减去测试过程，大大缩短设计周期，提高设计效率，降低成本。因此本课题的研究对工程实践有着十分重要的意义。. 工程网架结构的概况及发展方向自从50年代以来，中国在空间结构领域获得了长足的进步，不论是工程应

17、用或理论研究方面均在国际上占有一席之地，网架结构的应用范围与面积已位居世界各国前列，像首都体育馆、上海体育馆这样万人级的体育馆仍是大跨度网架结构中的佼佼者，近年来网壳结构逐渐兴起，在体育馆建设中颇有取代网架之势。天津市体育馆的双层球形网壳，直径有135m，黑龙江速滑馆的主体结构采用由中央圆柱面与两端半圆球面组成的双层网壳，其轮廓尺寸为86.2m×191.2m。中国的悬索结构早在60年代即已起步,当时曾建造了直径94m的圆形双层悬索,用于北京工人体育馆。其后在安徽体育馆等工程上采用的横向加劲悬索体系,以及在吉林滑冰馆采用的空间双层索体系,都体现了中国在这方面的创新。相形之下,同属于张拉

18、体系的膜结构,在中国的发展还比较落后。但最近建成的上海体育场马鞍形看台挑蓬,采用悬挑钢桁架覆以伞形膜材,是中国的第一个大跨度膜结构,虽然其技术与材料主要还依靠国外,但对中国膜结构的发展必然将起推动作用。值得提出的是,中国在制定空间结构技术规范的工作上在世界上是独树一帜的,有关薄壳、网架、网壳、悬索等的规程与标准,有的已经颁发,有的正在编制,这些技术文件是中国在空间领域内工程实践和科研成果的结晶。展望未来,中国正沿着改革开放道路阔步前进,随着交流的进一步扩大,必将建设更多的体育、展览、会议和机场建筑.这将为空间结构的发展提供一个好的机会。经验证明,为了推动应用,相应的理论研究是必不可少的,过去,

19、这些工作也有必要继续进行下去,以冀空间结构不断获得理论储备。根据国外的经验,还有两个薄弱环节严重地影响着中国空间结构的向前发展,即结构形式和结构防护,必需及早扭转目前的被动局面。在过去几十年中，空间结构在结构形式、材料、设计方法与施工工艺上都获得了突破性的进展，在一些重大的、特别是标志性的工程中，无不见到空间钢结构的应用。大跨度结构的建造及其所采用的技术往往反映了一个国家建筑技术的水平，一些规模宏大、形式新颖、技术先进的大型空间结构已成为一个国家经济实力和建设技术水平的重要标志。衡量建筑结构技术水平的一个标志是它的跨度与面积，一般来说，跨度或面积越大，技术也越复杂。纵观空间结构的发展历史，它的

20、跨度与面积也有不断增大的趋势。当今世界上二百多米跨度的体育馆或飞机库、几万平方米的展览馆或工业厂房都通过采用空间钢结构而使之实现。从技术上来看，建筑更大跨度的空间钢结构是完全可能的，像在桥梁方面，日本已建成跨越明石海峡、跨度达56694的钢悬索桥，因此，要建造类似跨度的建筑物是具备一定条件的。然而从目前使用上看，要求大跨度的建筑物，如体育馆、飞机库等有一百多米甚至二百多米已能满足要求。因此，对于传统的建筑，今后空间结构主要还是在一二百米的跨度、几万平方米面积的范围的发展。结构的“杂交”将是今后空间钢结构发展和创新的重要途径，它是将不同类型的结构加以组合而形成一种新的结构体系。例如悬索、索网或膜

21、利于受拉，拱、壳体或网壳利于受压，而梁、桁架或网架则利于受弯，如果利用其中某种类型结构的长处来避免或抵消另一种与之组合的结构的短处，就能大大改进结构受力性能。最简单的例子是大跨度桁架与斜拉索的组合，它既能发挥高强度钢索抗拉的特点，又为桁架增加了支点、缩短了跨度。前面提到的横向加劲索系和索穹顶也都是杂交结构的范例。人类对建筑围护的使用要求是没有止境的，大跨度的空间一旦被封闭起来，人们又期望一个接近大自然的露天环境。例如体育场或人工海洋馆，在晴好天气要求屋盖能打开成为露天的，而遇到阴冷的天气，屋盖又能闭合成为室内的，这就要求从一个静止的结构变为可动的结构，给大跨度结构带来了新的挑战，开闭结构便应运

22、而生。这种结构基本上分为两种形式，一种以钢骨架作为承重结构，以金属板、玻璃、塑料或膜材围护。屋盖以平移、旋转或上下叠合来进行开闭。加拿大多伦多“天空穹顶”体育馆是当前世界上跨度最大的开闭结构，屋盖由三个扇形联方网壳形成，其中最下一层网壳为固定，上中两层的网壳则沿着圆周的轨道旋转。另一种开闭结构采用可折叠膜材为屋盖，其折叠的方式视建筑物形状而定。如为方形或矩形，膜材可平行或沿四周展开或收缩，如为圆形，则可自中心支点或沿圆周伸缩。中国是一个文明古国，地上地下存在着无数珍贵的古建筑与古墓葬，一些大型古迹的开挖和保护就需要一个与外界隔绝的环境。西安秦俑博物馆二号坑就是在其上建造了网架结构之后，使得开挖

23、工作得以进行。北京老山汉墓的发掘，也得益于覆盖以金属拱型波纹屋顶。因此，一旦空间钢结构跨越了传统的建筑功能，步入巨型结构的行列，则跨度与面积就会有新的突破，跨度达到上千米、面积达到方圆几平方公里，这些都可能在二十一世纪得到实现。. 有限元法的概述 有限元法发展概况1956年，Tuner，Clouh等人将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题，并用于分析飞机结构，这是现代有限元法第一次成功的尝试。他们第一次给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答，其研究工作打开了利用计算机求解复杂平面问题的新局面。19631964年，Besseling、Melosh和Jones等证明有限单元法是基于变分原理的

24、Ritz法的另一种形式，从而使Ritz分析的所有理论基础都适用于有限元法，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。几十年来，有限元法的应用己由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题；分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和复合材料等;从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用己从分析比较扩展到优化设计并和CAD(计算机辅助设计)结合越来越紧密。有限元分析理论的逐步成熟主要经历了60年代的探索发展时期，7080年代的独立发展应用时期和90年代与CAD相辅相成的共同发展推广使用时期。有限元分析作为一种强有力的数

25、值分析方法，在结构分析和仿真计算中有着极大的应用价值。目前，结构仿真中的静力分析、动力分析、稳定性计算，特别是结构的线性、非线性分析(几何、材料非线性)、屈曲分析等，都可以借助十大型的有限元分析软件如MSG/NASTRAN，ANSYS等进行。其中，MSG/NASTRAN在结构动力分析、空气动力弹性及颤振分析、复合材料分析等方面有较强的功能，在对结构的振动分析、稳定性分析及风振分析方面有极大的优势。 有限元法的基本理论有限元法是一种以电子计算机为工具，解决场的问题的数值计算方法。它是伴随着电子计算机的出现与普及而迅速发展起来的数值计算方法，是广大科技工作者、工程技术人员从事科学研究和工程计算强有

26、力的工具，其基本思想可以分为以下三个方面17：1、假想把连续系统(包括杆系、连续体、连续介质)分割成数目有限的单元，单元之间只在数目有限的指定点(称为节点)处相互连接，构成一个单元集合体来代替原来的连续系统。在节点上引进等效载荷(或边界条件)，代替实际作用于系统上的外载荷(或边界条件)。2、对每个单元由分块近似的思想，按一定的规则(由力学关系或选择一个简单函数)建立求解未知t与节点相互作用(力)之间的关系(力一位移、热度一温度、电压一电流等)。3、把所有单元的这种特性关系按一定的条件(变形协调条件、连续条件或变分原理及能量原理)集合起来，引入边界条件，构成一组以节点变f(位移、温度、电压等)为

27、未知t的代数方程组，求解该方程组就可以得到有限个节点处的待求变t。所以，有限元法实质上是把具有无限个自由度的连续系统，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。有限元法与其他常规力学方法相比，具有许多优越性；1、可以分析形状复杂的、非均质的各种实际的工程结构；2、可在计算中模拟复杂的材料结构关系、荷载和条件；3、可以进行结构的动力分析；4、由于前处理和后处理技术的发展，可以进行大t方案的比较分析。第二章 工程网架结构简介2.1网架结构的几何不变性分析网架结构是一个空间铰接杆系结构，在任意外力作用下不允许几何可变，故必须进行结构几何不变性分析，以保证结构的几何

28、不变。网架结构的几何不变性分析必须满足四个条件，一是具有必要的约束数量，如不具备必要的约束数量，结构肯定是可变体系，此条件称为必要条件；二是约束分置方式要合理，如约束分置不合理，即使满足必要条件，结构仍有可能是可变体系，此条件称为充分条件。网架结构是空间结构，一个节点有三个自由度，它的必要条件是:W=3J-B-SO式中B网架的杆件数；S支座的约束杆数，S6；J网架的节点数。由此可见：当W>0时该网架为几何可变体系；W=0时该网架无多余杆件，如杆件布置合理，该网架为静定结构；W<0时该网架有多余杆件，如杆件布置合理，该网架为超静定结构。网架几何不变的充分条件是:1、用三个不在同一平面

29、上的杆件汇交于一点，该点为空间不动点，即即几何不变的；2、三角锥(图2.1a)是组成空间结构几何不变体系的最小单元；3、由三角形图形的平面组成的空间结构，其节点至少为三平面交汇点时(图2.1b)，该结构为几何不变体系。（a） （b）图2.1基本单元由于网架结构多节点、多杆件组成的空间结构，边界条件又很复杂，上述三条并不能将所有网架结构的几何不变性分析出来。一般可通过对结构的总刚度矩阵进行检查来实现，如满足以下条件之一者，该网架结构为几何可变体系:1、总刚度矩阵K考虑了边界条件以后，主对角元素中出现零元素，则与它相应的节点是几何可变的。2、总刚度矩阵K考虑了边界条件以后，矩阵行列式|K|=0，说

30、明该矩阵为奇异矩阵，该结构为几何可变体系。2.2 网架结构的形式网架结构按弦杆层数不同分为双层网架或三(多)层网架。双层网架是由上弦层、下弦层和腹杆层组成的空间结构(见图2.2)，是常用的一种网架结构。图2.2双层网架三层网架是由上弦层、中弦层、下弦层、上腹杆层和下腹杆层等组成的空间结构(见图2.3)。其特点是提高网架高度，减小网格尺寸；减小弦杆内力，根据资料表明，三层网架比双层网架降低弦杆内力25%-60%，扩大了螺栓节点的应用范围；减小腹杆长度，一般情况下，三层网架腹杆长度仅为双层网架腹杆长度的一半，因而便于制造和安装。图2.3三层网架三层网架存在的不足之处是，节点和杆件数量增多，中层节点

31、上连接的杆件较密。计算表明:当网架跨度大于50m时，三层网架用钢量比双层网架用钢量省，且跨度越大用钢量降低越显著。本课题主要讨论的是双层网架，双层网架的结构形式很多，目前常用的有三大类13种形式。1、平面桁架系网架平面桁架系网架是由平面桁架交叉组成，组成的基本单元如图2.4所示。这类网架上、下弦杆长度相等，而且其上、下弦杆和腹杆位于同一垂直面内。一般可设计为斜腹杆受拉，竖杆受压，斜腹杆与弦杆夹角宜在40之间。这类网架共有四种形式。(1)两向正交正放网架两向正交正放网架是由两个方向的平面桁架垂直交叉而成的。在矩形建筑平面中应用时，两向桁架分别与界面垂直(平行)，两个方向网格数宜布置成偶数，如为奇

32、数，则在桁架结构中部节间应做成交叉腹杆。 图2.4平面桁架系基本单元(2)两向正交斜放网架两向正交斜放网架也是由两个方向的平面桁架垂直交叉而成的，但在矩形建筑平面中应用时，两向桁架与边界夹角为45。它可理解为两向正交正放网架在建筑平面上放置时转动角。(3)两向斜交斜放网架两向斜交斜放网架是由两个方向桁架相交。角交叉而成，形成菱形网格。适用于两个方向网格尺寸不同，而要求弦杆长度相等的情况。这类网架节点构造较复杂，受力性能欠佳，因此，只是在建筑上有特殊要求时才考虑使用。(4)三向网架 三向网架是由三个方向析架按角相互交叉组成。这类网架的上、下弦平面的网格呈正三角形，为几何不变体，空间刚度大，受力性

33、能好，支座受力较均匀，但汇交于一个节点的杆件可多达13根，节点构造比较复杂，宜采用焊接空心球节点。 三向网架适用于较大跨度(1>60m)，且建筑平面为三角形、六边形、多边形和圆形，当用于圆形平面时，周边将出现一些非正三角形网格。 2.四角锥体系网架 四角锥体系网架是由许多四角锥按一定规律组成的，组成的基本单元为倒置四角锥，如图2.5。这类网架上、下平面均为方形网格，下弦节点均在上弦网格形心的投影线上，用斜腹杆与上弦网格的四个节点相连。若改变上、下弦错开的平移值，或相对的旋转上、下弦杆，并适当的抽去一些弦杆和腹杆，即可获得各种形式的四角锥网架。 这种网架共有六种形式。(1)正放四角锥网架

34、正放四角锥网架是由倒置的四角锥体为组成单元，锥底的四边为网架上弦杆，锥棱为腹杆，各锥顶相连即为下弦杆，建筑平面为矩形时，上、下弦杆均与边界平行(垂直)。 (2)正放抽空四角锥网架正放抽空四角锥网架是在正放四角锥网架基础上，适当抽掉一些四角锥单元中的腹杆和下弦杆，使下弦网格尺寸比上弦网格尺寸大一倍。这种网架的杆件数量少，腹杆总数为正 图2.5四角锥体系基本单元放四角锥网架腹杆总数的34左右，下弦减少12左右，故构造简单，经济效果较好。由于周边网格不宜抽杆，两个方向网格数宜取为奇数。如果取h=s，则上、下弦杆和腹杆长度相等。 (3)单向折线形网架 单向折线形网架是将正放四角锥网架取消纵向的上、下弦

35、杆，保留周边一圈纵向上弦杆而组成的网架。 这种网架用于周边支承，且长宽比大于3或两边支承的情况，可以获得一定的经济效益。(4)斜放四角锥网架 斜放四角锥网架也是由倒置四角锥组成的，上弦网格呈正交斜放，下弦斜放四角锥网架也是由倒置四角锥组成的，上弦网格呈正交斜放，下弦网格呈正交正放；也就是下弦杆与边界垂直(或平行)，上弦杆与边界成夹角。这种网架的上弦杆长度等于下弦杆长度的/2倍。在周边支承情况下，上弦杆受压，下弦杆受拉，该网架体现了长杆受拉、短杆受压的原则，因而杆件受力合理。此外，节点处汇交的杆件相对较少(上弦节点6根，下弦节点8根)。当网架高度为下弦杆长度的一半时，上弦杆与斜腹杆等长。这种网架

36、适用于周边支承情况，节点构造简单，杆件受力合理，用钢量省，也是国内工程中应用较多的一种形式。(5)棋盘形四角锥网架棋盘形四角锥网架是由于其形状与国际象棋的棋盘相似而得名的。在正放四角锥基础上，除周边四角锥不变外，中间四角锥间格抽空，下弦杆呈正交斜放，上弦杆呈正交正放，下弦杆与边界成夹角，上弦杆与边界垂直(或平行)。也可理解为将斜放四角锥网架绕垂直轴转动而成。 这种网架也具有上弦短下弦长的优点，且节点上汇交杆件少，用钢量省，屋面板规格单一，空间刚度比斜放四角锥好。它适用于周边支承情况。 (6)星形四角锥网架 星形四角锥网架是由两个倒置的三角形小析架相互交叉而成的两个小朽架的底边构成网架的上弦，上

37、弦正交斜放，各单元顶点相连即为下弦，下弦正交正放，在两个小析架交汇处设有竖杆，斜腹杆与上弦杆在同一平面内。 这种网架也具有上弦短下弦长的特点，杆件受力合理。当网架高度等于上弦杆长度时，上弦杆与竖杆等长，斜腹杆与下弦杆等长。 这种网架适用于周边支承情况。 3.三角锥体系网架 三角锥体系网架是由倒置三角锥组成的。组成基本单元为三角锥，见图2.6。锥底的三条边，即网架的上弦杆，组成正三角形，棱边即为网架腹杆，锥顶用杆件相连，即为网架下弦杆。三角锥体是组成空间结构几何不变的最小单元。随三角锥体布置不同，可获得各类三角锥网架。这种类型的网架共有三种。(1)三角锥网架三角锥网架是由倒置的三角锥体组合而成。

38、上、下弦平面均为正三角形网格。下弦三角形的顶点在上弦三角形网格的形心投影上。三角锥网架受力比较均匀，整体抗扭、抗弯刚度好，如果取网架高度为网格尺寸的了五万倍。则网架的上、下弦杆和腹杆等长。上、下弦节点处汇交杆件 图2.6三角锥体系基本单元数均为9根，节点构造类型统三角锥网架一般适用于大中跨度及重屋盖的建筑，当建筑平面为三角形、六边形或圆形时最为适宜。 (2)抽空三角锥网架 抽空三角锥网架是在三角锥网架基础上，适当抽去一些三角锥中的腹杆和下弦杆，使上弦网格仍为三角形，下弦网格为三角形及六边形的组合或均为六边形组合。前者抽锥规律是:沿网架周边一圈的网格均不抽锥，内部从第二圈开始沿三个方向间隔一个网

39、格抽掉一个三角锥。后者即从周边网格就开始抽锥，沿三个方向间隔两个锥抽一个。抽空三角锥网架抽掉杆件较多，整体刚度不如三角锥网架，适用于中小跨度的三角形、六边形和圆形的建筑平面。(1) 蜂窝形三角锥网架蜂窝形三角锥网架是由倒置三角锥按照一定规律排列组合而成的，上弦网格为三角形和六边形，下弦网格为六边形。 这种网架的上弦杆较短，下弦杆较长，受力合理。每个节点均只汇交6根杆件，节点构造统一，用钢量省。 蜂窝形三角锥网架从本身来讲是集合可变的，它需要借助于支座水平约束来保证其几何不变性，在施工安装时应引起注意。分析表明，这种网架的下弦杆和腹杆内力以及支座的竖向反力均可由静力平衡条件求得，根据支座水平约束

40、情况决定上弦杆的内力。这种网架适用于周边支承的中小跨度屋盖。2.3 工程网架结构主要技术参数在网架结构设计中，设计者首先要选择网架的形式，网架的形式确定之后，需进一步确定网格尺寸和网架高度。网格尺寸(s）与网架高度(h)有密切关系，s/h的值越大，斜腹杆与下弦平面夹角越小，通常是斜腹杆与下弦平面夹角为。本课题中网架的主要技术参数如下：1、结构形式：双层网架 节点类型：焊接球 网格形式：正交正方四角锥网架2、网架平面尺寸：30m*24m,网架高度h为4m3、支承形式：多点上弦支承4、材料：网架杆和螺栓球采用的是45号钢5、静载荷：上、下弦自重（=7.85g/） 活载荷：下弦：0.50KN/ 基本

41、风载：0.45KN/第三章 工程网架结构的有限元分析3.1 有限元软件的发展趋势工程人员进行有限元分析时，多数情况是采用通用的商业有限元软件，自行开发者是极少数。因此，商业有限元软件的好坏对有限元法的应用至关重要。目前，大型的商业有限元软件有很多，它们基本上均具有较好的前处理、后处理和计算能力，可以满足众多产品开发的基本要求.然而在提高模拟的真实性和使用的适应性方面却不同程度地存在着不足。由于计算机技术的发展和新的工程要求的提出，这种挑战更加迫切。为了应付这些挑战，未来地有限元软件的发展将具有以下特点：1、由单一物理场的研究向多物理场综合模拟以及相互作用模拟的方向发展。例如当气流流过一座很高的

42、铁塔，铁塔会发生变形，塔的变形又反过来影响到气流的流动，这就需要用到结构一流体耦合分析。2、由单一零件的模拟向整机的模拟方向发展。3、进一步提高非线性问题的求解能力。材料科学的不断发展，研究出了很多性质特殊的新材料，现有的非线性求解器需要进一步完善其功能。4、在有限元分析功能不断完善的基础上，向与优化设计、可靠性分析和其它综合评估功能结合的方向发展。5、加强与设计制造过程的集成和数据转换，向与CAD/CAM无缝化集成的方向发展。即在CAD软件上完成产品的造型设计，自动生成有限元网络并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行设计和造型。6、向智能化、本地化、方便的二次开发性、友好化方向发

43、展，进一步加强前处理的可视化能力和后处理效据输出功能，以便减少使用者花费在数据准备和结果处理上的时间。3.2 有限元分析软件ANSYSANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer；NASTRAN；Alogor；IDEAS；AutoCAD等是现代产品设计中的高级CAD工具之一。启动ANSYS，进入欢迎画面以后，程序停留在开始平台。从开始平台（主菜单）可以进入各处理模块：PREP7（通用前处理模块），SOLUTION（求解模块），

44、POST1（通用后处理模块），POST26（时间历程后处理模块）。ANSYS用户手册的全部内容都可以联机查阅。一、前处理模块PREP7这个模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。1、实体建模ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。2、网格划分ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网

45、格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。二、求解模块SOLUTION前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。ANSYS软件提供的分析类型如下：1.结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。2.结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分

46、析。3.结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。4.动力学分析ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。5.热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。6.电磁场分析主要用于电磁场问题的分析。7.流体动力学分析

47、ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。8.声场分析程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。9.压电分析用于分析二维或三维结构对交流、直流或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析三、后处理模块POST1和POST26ANSYS软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26。1、通用后

48、处理模块POST1点击实用菜单项中的“General Postproc”选项即可进入通用后处理模块。这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。 2、时间历程响应后处理模块POST26点击实用菜单项中的TimeHist Postpro选项即可进入时间历程响应后处理模块。这个模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。另外，POST26还可以进行曲线的代数运算。ANSYS软件能够不断地吸收新的计算方法和计算技术，领导世界有限元技术的发展，并为全球工业接收接受。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME

49、）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。3.3 有限元进行工程分析的一般过程有限元分析是一种模拟设计载荷条件，并且确定在载荷条件下的设计响应方法是对真实情况的数值近似。ANSYS有限元分析过程主要包括三个步骤：一、 创建有限元模型前处理1、 创建或输入几何模型2、 定义材料属性3、 定义实常数(要根据单元的几何特性来设置，有些单元没有实常数)4、 定义单元类型5、 划分单元二、 施加载荷并求解求解1、 施加约束条件2、 施加载荷3、 求解三、 查看结果后处理1、 查看分析结果2、 检验结

50、果的正确性第四章 工程网架结构参数化建模及动力特性分析4.1 工程网架结构的有限元建模4.1.1 模型简化与假设1、网架结构的计算模型假定为空间铰接杆系结构，即认为节点为铰接，杆件仅承受轴向力，忽略节点刚度的影响，不计次应力对杆件内力所引起的变化。2、结构材料为线性、弹性、各向同性。3、网架结构的外荷载按静力等效原则，将节点所辖区域内的载荷集中作用在该节点上。本研究假设网架结构外荷载均布作用下弦节点。4、载荷作用下，杆件变形很小，符合小变形理论。 单元简介 网架结构的有限元模型杆件单元和节点质量单元的类型分别采用Link8单元及Mass21质量单元。L ink8单元是三维杆单元，用以在工程中模

51、拟三维空间桁架、绳索、铰链以及弹簧单元，可以承受单向的拉伸或压缩。该单元具有两个端部节点，每个节点上有3个自山度。Mass21质量单元为一个有6个自由度的质量单元，在此单元的每一个不同坐标方向上可以施加不同的质量大小和转动惯量。 实常数的确定网架结构有限元模型杆件单元的实常数即指单元的横截面面积。本研究采用规程(JGJ7-91)的方法确定杆件内力，内力确定后进而确定杆件截面尺寸。Mass21质量单元的实常数为上、下弦节点承受的重力荷载代表值转化而来的质量。 确定建模方案本课题利用ANSYS软件中前处理的过程构造模型。建立网架有限元模型，首先需要在前处理中选择单元类型，并输入单元材料属性及实常数

52、，之后建立节点，将各节点连接生成单元。这里所说的单元即为网架的上、下弦杆及腹杆。这样就可生成了网架结构有限元模型。虽然这一过程用语言表达非常简单，但是实现过程却相当困难由于网架结构的杆件和节点较多，杆件可达到上千根，节点也有几百个。如此多的单元和节点，要靠在ANSYS图形用户界面(GUI)手工输入，是非常困难的，甚至是不可能的。因此，本课题在建模过程中采用ANSYS有限元软件自带APDL语言建立参数化的模型，并确定载荷类型及边界条件的、单元类型的选择。利用本方法建立的30m *24m正放四角锥网架ANSYS有限元模型见下图4.1。 图4.1 30m*24m正放四角锥网架有限元模型通过ANSYS

53、软件的APDL语言建模，程序的编制是在程序开始先进行预处理通过prep7 命令进入前处理阶段。首先定义网架上弦的长宽尺寸并定义网格数量、网架高度等；然后用*do，*do，*enddo，*enddo 嵌套循环及if-then-else分支语句来建立上弦和下弦的各个节点；再用嵌套循环及et,1,link8语句分别连接上弦、下弦的节点(即分别生成为上弦杆、下弦杆)，用嵌套循环及et,2,link8语句连接上弦和下弦的节点(即为网架的腹杆)；最后用area、prxy、dens、ex来定义截面性质和材料特性，至此模型完成。其建模程序见附录。4.2 工程网架结构的静力分析 线性静力学分析概述结构静力分析用

54、来计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，即由于稳态外载引起的系统或部件的位移、应力、应变。同时，结构静力分析还可以计算那些固定不变的惯性载荷以及那些可以近似等价位静力作用的随时间变化的载荷对结构的影响。在结构静力分析过程中，一般都假定载荷和响应固定不变，或假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。ANSYS程序中结构静力分析所施加的载荷包括：外部载荷、稳态的惯性载荷、位移载荷、温度载荷。ANSYS程序进行静力分析包括两大类：线性静力分析和非线性静力分析。线性静力分析即通常所说的线弹性分析；非线性静力分析主要包括材料非线性分析、几何非线性分析及状态非线性分析。ANSYS进行线性静力分析一般包括以

55、下基本步骤：(1)建立模型和划分网格；(2)加载求解；(3)后处理。4.2.2 结构静力计算上弦的平面尺寸：30m*24m=720下弦的平面尺寸：30/12m*24/10*9m=594杆件的横截面面积：0.006218螺栓钢球WS350*12的，每个自重33.828kg上弦每个节点的重力：G=33.828kg*9.8m/=331.5144N下弦每个节点的重力：G=33.828kg*9.8m/=331.5144N下弦每个节点的受力：F=()*594/120+G=(0.45+0.5)*594/120+331.5144=5034.014KN(活载荷：0.50KN/ ；基本风载：0.45KN/；下弦节点数为120)注：杆件自重以密度形式加载。4.2.3 施加约束和加载 网架结构搁置在柱、梁、桁架等下部结构上，由于搁置方式不同，可分为周边支承、点支承、周边支承与点支承相结合、三边和两边支承等情况。本课题论述的是采用点支承中的多点支承。在本课题中对网架的静力分析分两种情况：一是多点支承约束状态下的网架受力情况；二是当某点支承不良时网架的受力情况，即在前一状态下取原先受约束的某一点不受约束，这里取节点编号263即为A点不施加约束进行分析比较。一、多点支承约束时其约束图见(图