大跨与空间结构大作业

./研究生课程考核试卷科目：大跨与空间结构教师：熊刚姓名：郭一帆学号：t专业：结构工程类别：专硕上课时间：2015年5月至2015年7月考生成绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师<签名>大学研究生院制单层球面网壳结构整体稳定分析摘要：当结构所受荷载达到某一数值时,若增加一微小的增量,则结构的平衡位形将发生很大的改变,这种现象叫做结构失稳或结构屈曲。本文使用ansys软件,使用参数化建模思想编写建立K6型凯威特网壳建模程序,将面荷载转化为节点荷载,随后进行静力分析和稳定性分析,在稳定性分析中重点分析不同初始缺陷对网壳结构整体稳定的影响情况,最后再分析考虑材料非线性后,荷载系数的改变。关键字：初始缺陷非线性稳定极限承载力ansys概述根据失稳的性质,结构稳定问题可分为两类。第一类是理想化情况,即达到某个荷载时,结构的平衡状态发生质的变化,称为平衡分叉失稳或分支点失稳,而数学处理上是求解特征值问题,故又称为特征值屈曲分析。第二类失稳是结构失稳,变形将大大发展,而不会出现新的变形形式,故平衡状态不发生质变。在这种失稳情况下,结构的平衡形式并没有发生质的改变,结构失稳临界荷载可通过荷载-变形曲线的荷载极值点得到,因此也称为极值点失稳。这种失稳形式通常是发生在具有初始缺陷的结构中,初始缺陷大小对临界荷载有一定的影响,通过计算分析,我们可以看到初始缺陷对网壳整体稳定的影响程度,同时改变失跨比,对比初始缺陷对结构的影响程度。本文使用K6凯特威网壳为例进行分析,凯特威网壳具有杆件类型较少,力分布均匀的特点,适用于大、中跨度结构。凯威特网壳参数化建模总体思路计算控制参数。控制一个球面网壳的几何参数包括失高f、跨度Span,布置参数有杆件布置沿环向循环对称区域个数Kn〔径肋的数量和环杆的圈数Nx。建模时用到的几何参数如图所示。通过几何参数失高和跨度可以计算曲率半径R:每个径杆对应的圆心角Dpha：建立球面坐标系。定义顶点为节点1,由第1圈开始,依次建立各圈节点。凯威特网壳的各圈节点数目不同,每圈节点数目为Kn倍圈号,即第i圈有Kn*i个节点,因此,第i圈第j区节点编号为1+Kn*<i-1>*i/2+j,节点坐标为<R,<j-1>*360/<Kn*i>,90-i*Dpha>。定义单元类型、材料属性、实常数等。环向杆连接。利用循环命令,由向外依次连接环向相邻节点,第i圈第j区的单元是连接节点1+Kn*<i-1>*i/2+j与节点1+Kn*<i-1>*i/2+j+1而成,各圈最后一对称区的单元由该圈首节点1+Kn*<i-1>*i/2+1与末节点1+Kn*<i-1>*i/2+Kn*i连接而成。径向杆连接。由于各圈杆节点数目不同,利用三重循环命令,找到节点规律进行单元连接。施加边界约束和节点荷载。由于节点编号是由向外依次进行,可求得最后一圈起始节点编号为1+Kn*<Nx-1>*Nx/2+1,小于该编号的节点施加荷载,大于该编号的节点施加位移约束。等效节点荷载的施加将外荷载按照静力等效原则,将节点所辖区域的荷载集中作用在该节点上。即将面荷载转化为节点荷载。具体过程见命令流。静力分析与稳定性分析网壳结构静力分析施加节点荷载,得到单层球面网壳静力分析结果。网壳结构的稳定分析采用考虑几何非线性的有限元方法进行荷载-位移全过程分析,是网壳结构稳定分析的有效途径,通过跟踪网壳结构的非线性荷载-位移全过程响应可以合理确定其稳定承载能力。参考《空间网格结构技术规程》4.3.3要求,球面网壳的全过程分析可按满跨均布荷载进行,进行网壳全过程分析时应考虑初始几何缺陷〔即初始曲面形状的安装偏差的影响,初始几何缺陷分布可采用结构的最低阶屈曲模态,其缺陷最大计算值可按网壳跨度1/300取值。分析时,提取一阶模态位移值的0.1作为初始缺陷修改元模型节点坐标,根据分析结果绘制荷载-位移曲线并得到非线性屈曲荷载系数。软件分析过程及结果建立K6凯威特网壳,输入矢高f=8m,跨度Span=40m,径肋Kn=6,环杆的圈数Nx=5,如图。选择单元类型为beam4单元,输入截面特性,截面取为圆钢管Φ152.0X5.0,查截面特性表有,面积A=0.002309,Iz=Iy=624.43。如图,输入材料属性,弹性模量E=,泊松比0.3,密度为7850kg/,单元类型号,材料属性号,实常数号为1。如图施加面荷载,面荷载为2000N/。调用程序将面荷载转化为等效节点荷载。等效节点荷载文件名及路径为E:\ANSYS\process\shell\example\equiforce.mac.得到节点荷载如下表。节点号方向荷载大小〔N节点号方向荷载大小〔N节点号方向荷载大小〔N1fz-3361431fz-3933761fz-382442fz-3861732fz-3892162fz-122513fz-3861733fz-3933763fz-186324fz-3861734fz-3933764fz-185975fz-3861735fz-3892165fz-185976fz-3861736fz-3933766fz-186327fz-3861737fz-3933767fz-122518fz-3960238fz-3780668fz-186329fz-4028639fz-3824469fz-1859710fz-3960240fz-3824370fz-1859711fz-4028641fz-3824471fz-1863212fz-3960242fz-3780672fz-1225113fz-4028643fz-3824473fz-1863214fz-3960244fz-3824374fz-1859715fz-4028645fz-3824475fz-1859716fz-3960246fz-3780676fz-1863217fz-4028647fz-3824477fz-1225118fz-3960248fz-3824378fz-1863219fz-4028649fz-3824479fz-1859720fz-3892150fz-3780680fz-1859721fz-3933751fz-3824481fz-1863222fz-3933752fz-3824382fz-1225123fz-3892153fz-3824483fz-1863224fz-3933754fz-3780684fz-1859725fz-3933755fz-3824485fz-1859726fz-3892156fz-3824386fz-1863227fz-3933757fz-3824487fz-1225128fz-3933758fz-3780688fz-1863229fz-3892159fz-3824489fz-1859730fz-3933760fz-3824390fz-1859791fz-18632清除数据,回复模型,调用程序施加节点荷载可以得到网壳的静力分析结果,结果如下,最大位移点位移为0.007848m。前六阶屈曲模态特征值阶数123456特征值11.3811.7111.7112.5412.7212.72第一阶屈曲模态第二阶屈曲模态第三阶屈曲模态第四阶屈曲模态第五阶屈曲模态第六阶屈曲模态调用程序得到一阶模态屈曲荷载系数为11.378,最大位移值为0.993m〔节点1取其0.1倍为0.0993m<0.133m<跨度40m的1/300>。在此荷载系数基础上放大1.3倍,约为15倍,将等效节点荷载放大15倍施加在结构上,即为施加1.3倍的屈曲荷载,得到荷载位移曲线。屈曲荷载系数为5.80,大于规程中K=4.2的要求。更改初始缺陷值的大小,比较结果差异将上节稳定分析中的初始缺陷分别改为一阶模态位移值的0.11倍、0.12倍、0.13倍、0.14倍0.15倍,分别为0.109m、0.119m、0.129m、0.139m、和0.149m观察分析结果。荷载系数为5.31荷载系数为4.75荷载系数为4.37荷载系数为3.84荷载系数约为3.67可以看到,当初始缺陷最大值小于0.133m时〔跨度1/300,荷载系数随着初始缺陷增大而减小,当接近0.133m时,荷载系数减小趋势不再明显。更改网壳跨度,做如上相同分析,对比结果网壳跨度取为32m时,矢跨比为1/4网壳跨度取为40m时,矢跨比为1/5荷载系数与最大初始缺陷间关系列表表示,.最大初始缺陷〔m荷载系数0.04429.900.05923.680.08116.120.08815.480.09514.410.10313.310.11012.430.1546.97最大初始缺陷〔m荷载系数0.02014.540.05012.320.0995.80.1095.310.1194.750.1294.370.1393.840.1493.67.失跨比为1/5失跨比为1/4绘图如下可以看出,矢跨比对结构稳定承载极限荷载有较大影响,矢跨比大的结构,荷载系数将越大,网壳结构的整体稳定性越好。同时,随着初始缺陷值增大,结构整体稳定性能也随之下降。失跨比与初始缺陷同样影响着结构的整体稳定性能。考虑杆件材料非线性使用原始模型,失跨比为1/5,最大初始缺陷为0.0993m〔0.1倍,不考虑材料非线性时屈曲荷载系数为5.80,同时考虑材料非线性,荷载系数为5.70,结果如下图。《规程》要求当按弹性全过程分析时,安全系数K可取为2.0,此模型同样符合要求。材料特性如图。附本文使用所有命令流1建立网壳K6凯威特网壳/PMACRO!指定宏的容被写入ANSYS的会话LOG文件中,必须置于命令顶层*AFUN,DEG!在角度函数的输入与输出中使用度为单位/PREP7!进入前处理模块PREP7!<1>用户界面设计,输入基本几何参数MULTIPRO,'START',4!生成多行提示对话框*CSET,1,3,f,'Risef=<m>',8!输入矢高f*CSET,4,6,Span,'Span=<m>',40!输入跨度Span*CSET,7,9,Kn,'RadialNumber〔inputeven=',6!输入沿环向分割的份数Kn*CSET,10,12,Nx,'NodeCircleNumberNx=',5!输入环杆圈数Nx*CSET,61,62,'Pleaseinputgeometryparametersoftheshell.'!在对话框顶部显示提示"Pleaseinputgeometryparametersoftheshell"MULTIPRO,'END'!<2>计算节点坐标位置,并定义节点CSYS,2!转换为球面坐标系R=<Span*Span/4+f*f>/<2*f>!根据矢高和跨度计算曲面半径RDPha=Atn<Span/2/Sqrt<R*R-Span*Span/4>>/Nx!计算相邻两圈环杆对应的球心夹角DphaN,1,R,0,90!定义顶点1号节点的位置坐标为〔R,0,90*DO,i,1,Nx!第1～Nx圈的节点循环*DO,j,1,Kn*i!对称区的节点循环,第i圈可分为Kn*i份x=R!输入x坐标y=<j-1>*360/<Kn*i>!输入y坐标,各圈上的节点数目为Kn倍圈号z=90-i*DPha!输入z坐标N,1+Kn*<i-1>*i/2+j,x,y,z!依次计算并定义节点的编号和位置*ENDDO*ENDDONumnode=1+Kn*<Nx-1>*Nx/2+Kn*Nx!定义结点最大编号!<3>定义单元类型及实常数RTNUM=1!可输入的实常数类型最大数〔为节省篇幅,本例只输入一种实常数类型*DIM,AREAIN,ARRAY,RTNUM!定义杆件截面面积数组*DIM,IZZIN,ARRAY,RTNUM!定义面积惯性矩数组*DIM,IYYIN,ARRAY,RTNUM!定义面积惯性矩数组*DIM,TKZIN,ARRAY,RTNUM!定义截面沿Z轴高度数组*DIM,TKYIN,ARRAY,RTNUM!定义截面沿Y轴高度数组*DIM,THETAIN,ARRAY,RTNUM!定义杆件轴线与X轴夹角数组*DIM,ISTRNIN,ARRAY,RTNUM!定义初始应变数组*DIM,IXXIN,ARRAY,RTNUM!定义扭矩数组*DIM,SHEARZIN,ARRAY,RTNUM!定义剪切变形常量数组*DIM,SHEARYIN,ARRAY,RTNUM!定义剪切变形常量数组MULTIPRO,'START',1!生成单元类型选择对话框*CSET,1,3,eltype,'Link8Input0,Beam4Input1',1!选择单元类型,输入0为选择link8,输入1为选择beam4,也可通过改变本部程序增加新的单元类型。*CSET,61,62,'ElementType1Option:'MULTIPRO,'END'*IF,eltype,eq,0,then!若输入0,即eltype=0ET,1,link8!定义第1类单元类型为杆单元link8*ENDIF*IF,eltype,EQ,1,THEN!若输入1,即eltype=1ET,1,beam4!定义第1类单元类型为梁单元beam4*ENDIFMULTIPRO,'START',10!生成第一类实常数R1输入对话框*CSET,1,3,AREAIN<1>,'SectionArea<mm^2>,AREA<1>=',23.09E-4*CSET,4,6,IZZIN<1>,'Areamomentofinertia,IZZ<1>=',624.43E-8*CSET,7,9,IYYIN<1>,'Areamomentofinertia,IYY<1>=',624.43E-8*CSET,10,12,TKZIN<1>,'ThinknessalongZaxis,TKZ<1>=',0.152*CSET,13,15,TKYIN<1>,'ThinknessalongYaxis,TKY<1>=',0.152*CSET,16,18,THETAIN<1>,'OrientationaboutXaxis,THEAT<1>=',0*CSET,19,21,ISTRNIN<1>,'Initialstrain,ISTRN<1>=',0*CSET,22,24,IXXIN<1>,'Torsionalmomentofinertia,IXX<1>=',0*CSET,25,27,SHEARZIN<1>,'SheardeflectionconstZ,SHEARZ<1>=',0*CSET,28,30,SHEARYIN<1>,'SheardeflectionconstY,SHEARY<1>=',0*CSET,61,62,'InputRealConstant1:'*CSET,63,64,'JustinputAREAiflink8wasused:'!若选择杆单元只需输入截面面积MULTIPRO,'END'*DO,i,1,RTNUM!利用数组定义单元实常数*IF,eltype,EQ,0,THEN!若选择的是杆单元,即eltype=0R,i,AREAIN<i>!定义杆单元截面积*ENDIF*IF,eltype,EQ,1,THEN!若选择的是梁单元,即eltype=1R,i,AREAIN<i>,IZZIN<i>,IYYIN<i>,TKZIN<i>,TKYIN<i>,THETAIN<i>,ISTRNIN<i>,IXXIN<i>,SHEARZIN<i>,SHEARYIN<i>,,500!定义梁单元截面实常数*ENDIF*ENDDOMULTIPRO,'START',3!生成材料属性输入对话框*CSET,1,3,EXIN,'Elasticity<GPa>,EX=',2.1e11!输入弹性模量EX*CSET,4,6,PRXYIN,'PassionRatio,PRXY=',0.3!输入泊松比PRXY*CSET,7,9,DENSIN,'Densofsteel,DENS=',7850!输入材料的密度DENS*CSET,61,62,'InputMaterialProperty:'MULTIPRO,'END'MP,EX,1,EXIN!定义第1类材料的弹性模量EXMP,PRXY,1,PRXYIN!定义第1类材料的泊松比PRXYMP,DENS,1,DENSIN!定义第1类材料的密度DENS!<4>定义单元连接MULTIPRO,'START',3!生成材料属性输入对话框*CSET,1,3,TYPEIN,'EelmentTypeNumber',1!输入单元类型号*CSET,4,6,MATIN,'MaterialTypeNumber',1!输入材料属性号*CSET,7,9,DENSIN,'RealConstanceNumber',1!输入实常数号*CSET,61,62,'InputMaterialTypeNumber:'MULTIPRO,'END'TYPE,TYPEIN!设置单元类型MAT,MATIN!设置材料属性类型REAL,REALIN!环向杆连接*DO,i,1,Nx!第1～Nx圈的节点循环*DO,j,1,Kn*i-1!第1～Kn*i-1对称区的节点循环E,1+Kn*<i-1>*i/2+j,1+Kn*<i-1>*i/2+j+1!连接相邻两节点生成单元*ENDDOE,1+Kn*<i-1>*i/2+1,1+Kn*<i-1>*i/2+Kn*i!连接最后一对称区的环杆*ENDDO!径向的单元连接*DO,i,1,Kn!对各对称区循环E,1,1+i!定义中心处径向杆单元*ENDDO*DO,i,1,Nx-1!从里圈第2圈开始向最外圈循环*DO,j,1,Kn!对各个对称区循环*DO,k,1,i+1!对每个对称区的杆循环*IF,k,EQ,i+1,THEN!判断是否是当前对称区的最后一根杆*IF,j,EQ,Kn,THEN!判断是否是最后一个对称区E,1+Kn*<i-1>*i/2+1,1+Kn*<i+1>*i/2+<j-1>*<i+1>+k!第1个节点和最后一个节点的连杆*ELSEE,1+Kn*<i-1>*i/2+<j-1>*i+k,1+Kn*<i+1>*i/2+<j-1>*<i+1>+k!一般区的最后一根连杆*ENDIF*ELSEE,1+Kn*<i-1>*i/2+<j-1>*i+k,1+Kn*<i+1>*i/2+<j-1>*<i+1>+k!一般正向连杆*ENDIF*ENDDO*DO,k,1,iE,1+Kn*<i-1>*i/2+<j-1>*i+k,1+Kn*<i+1>*i/2+<j-1>*<i+1>+k+1!一般负向连杆*ENDDO*ENDDO*ENDDO!<5>定义边界约束*DO,i,1,1+Kn*<Nx-1>*Nx/2+Kn*Nx!所有节点循环*If,i,GT,1+Kn*<Nx-1>*Nx/2,THEN!选择非边界节点D,i,all,0!给边界节点定义边界约束*ENDIF*ENDDO!<6>保存模型文件save,mode,db,,all2将面荷载转化为点荷载并写入equiforce文件finish/clear!/PMACRO!指定宏的容被写入ANSYS的会话LOG文件中,必须置于命令顶层RESUME,mode,db,,0,0!恢复mode.db中的数据,即调用初始结构模型/prep7!定义面单元local,11,0,0,0,0ET,10,SURF154,,1,,1!定义面单元surf154R,10,,,,,,,0.1,0.1,0.1!定义实常熟MP,DENS,10,0!定义材料密度TYPE,10!设置单元类型MAT,10!设置材料属性REAL,10!设置实常熟esys,11ENUMmax1=ELMIQR<0,14>+1!找到最后一个杆单元编号,便于知道第一个面单元的编号*DO,j,1,Kn-1!连接顶点与第一圈结点形成三角形面单元E,1,j+1,j+2*ENDDOE,1,Kn+1,2*DO,i,1,Nx-1!从里圈第2圈开始向最外圈循环*DO,j,1,Kn!对各个对称区循环*DO,k,1,i+1!对每个对称区的杆循环*IF,k,EQ,i+1,THEN!判断是否是当前对称区的最后一根杆*IF,j,EQ,Kn,THEN!判断是否是最后一个对称区E,1+Kn*<i-1>*i/2+1,1+Kn*<i+1>*i/2+<j-1>*<i+1>+k,1+Kn*<i+1>*i/2+1!第1个节点和最后一个节点对应的单元连接*ELSEE,1+Kn*<i-1>*i/2+<j-1>*i+k,1+Kn*<i+1>*i/2+<j-1>*<i+1>+k,1+Kn*<i+1>*i/2+<j-1>*<i+1>+k+1!一般区的最后一根连杆对应的单元连接*ENDIF*ELSEE,1+Kn*<i-1>*i/2+<j-1>*i+k,1+Kn*<i+1>*i/2+<j-1>*<i+1>+k,1+Kn*<i+1>*i/2+<j-1>*<i+1>+k+1!一般正向连杆对应的单元连接*ENDIF*ENDDO*DO,k,1,i*IF,k,EQ,i,then*IF,j,EQ,Kn,thenE,1+Kn*<i-1>*i/2+<j-1>*i+k,1+Kn*<i+1>*i/2+<j-1>*<i+1>+k+1,1+Kn*<i-1>*i/2+1*ELSEE,1+Kn*<i-1>*i/2+<j-1>*i+k,1+Kn*<i+1>*i/2+<j-1>*<i+1>+k+1,1+Kn*<i-1>*i/2+<j-1>*i+k+1!一般负向连杆对应单元*ENDIF*ELSEE,1+Kn*<i-1>*i/2+<j-1>*i+k,1+Kn*<i+1>*i/2+<j-1>*<i+1>+k+1,1+Kn*<i-1>*i/2+<j-1>*i+k+1!一般负向连杆对应单元*ENDIF*ENDDO*ENDDO*ENDDOENUMmax2=ELMIQR<0,14>!找到最后一个杆单元编号,便于知道第一个面单元的编号NUMNODE=1+Kn*<Nx-1>*Nx/2+Kn*Nx!约束所有结点*DO,i,1,1+Kn*<Nx-1>*Nx/2+Kn*NxD,i,UX,0!定义约束D,i,UY,0D,i,UZ,0*ENDDO!施加面荷载MULTIPRO,'START',1!生成荷载输入对话框*CSET,1,3,P,'SurfaceLoad〔N/㎡',2000*CSET,61,62,'PleaseInputSurfaceLoadValue:'MULTIPRO,'END'*DO,i,ENUMmax1,ENUMmax2,1SFE,i,3,PRES,,P*ENDDO!csys,0!NROTAT,ALL!所有结点约束的静力求解FINISH!退出前处理模块/SOLU!进入求解器SOLVE!求解FINISH!退出求解器/post1!进入后处理器set,last!提取等效结点荷载rsys,0!将结果坐标系旋转到笛卡尔坐标系下*DIM,Force_X,,Numnode!定义X向支座反力数组,用于存储各结点的X向支座反力*DIM,Force_y,,Numnode!定义Y向支座反力数组,用于存储各结点的Y向支座反力*DIM,Force_z,,Numnode!定义Z向支座反力数组,用于存储各结点的Z向支座反力*DO,i,1,Numnode,1!所有结点循环*GET,Force_X<i>,NODE,i,RF,FX!提取各结点的X向支座反力值赋给X向支座反力数组*ENDDO*DO,i,1,Numnode,1*GET,Force_Y<i>,NODE,i,RF,FY!提取各结点的Y向支座反力值赋给Y向支座反力数组*ENDDO*DO,i,1,91,1$*GET,Force_Z<i>,NODE,i,RF,FZ$*ENDDO!编写施加等效结点荷载的命令文件equiforce.mac*DIM,Array_PreName,CHAR,Numnode!定义一维字符串型数组*DIM,Node_Num,ARRAY,Numnode!定义一维数组作为结点号数组*DIM,Array_PostName,CHAR,Numnode,3!定义三维字符串型数组*DO,i,1,Numnode*SET,Array_PreName<i>,'f,'!给一维字符串数组赋字符串'f,'*SET,Node_Num<i>,i!给结点号数组赋结点编号*SET,Array_PostName<i,1>,',fx,'!给三维字符串数组的第一列赋字符串',fx,'*SET,Array_PostName<i,2>,',fy,'!给三维字符串数组的第二列赋字符串',fy,'*SET,Array_PostName<i,3>,',fz,'!给三维字符串数组的第三列赋字符串',fz,'*ENDDO*cfopen,E:\ANSYS\process\shell\example\equiforce,mac!在本程序的运行目录下创建/打开命令文件equiforce.mac*vwrite,Array_PreName<1>,Node_Num<1>,Array_PostName<1,1>,Force_X<1>!按照格式顺序将数据写入文件中,给各结点赋X向等效结点荷载<a6,f6.0,a8,f16.8>!设定第一个字符串总长6个字符,第二个字符串总长6位数,第三个字符串总长6个字符,第四个字符串总长16位数,小数点后保留8位*vwrite,Array_PreName<1>,Node_Num<1>,Array_PostName<1,2>,Force_Y<1>!按照格式顺序将数据写入文件中,给各结点赋Y向等效结点荷载<a6,f6.0,a8,f16.8>*vwrite,Array_PreName<1>,Node_Num<1>,Array_PostName<1,3>,Force_Z<1>!按照格式顺序将数据写入文件中,给各结点赋Z向等效结点荷载<a6,f6.0,a8,f16.8>*cfclos3静力求解FINISH/clearRESUME,mode,db,,0,0/SOLU*use,E:\ANSYS\process\shell\example\equiforce.macacel,,,9.8SOLVEFINISH/POST1PLDISP,24考虑初始缺陷非线性屈曲分析!<1>创建模型,获得静力解/CLEAR!清除当前数据库文件,并开始一个新的启动RESUME,mode,db,,0,0!恢复mode.db中的数据,即调用初始结构模型/SOLU!进入求解器*USE,E:\ANSYS\process\shell\example\equiforce.mac!调用equiforce.mac,以施加结点荷载ANTYPE,0!设置求解类型为静力分析EQSLV,SPAR!选择稀疏矩阵直接求解器PSTRES,ON!打开预应力选项SOLVE!静力求解FINISH!〔2获得特征值屈曲解/SOLU!进入求解器ANTYPE,1