主页 > 地理

从吊灯受力分析谈起——柔性结构体系的分析要点

时间:2019-10-28 来源:不去辜负


? ? ? ?工程中有许多柔性结构体系的应用,其中最为典型的便是大跨度缆索承重桥梁,而此类结构中最为关键也是难点的问题便是几何非线性受力分析,工程力学的问题大致分为三类:

1、小位移小应变问题

2、大位移小应变问题

3、大位移大应变问题

? ? ? ?而对于缆索这类柔性结构,则多属于大位移小应变问题,由于几何非线性的引入,相对于常规的计算分析,我们在分析方法以及分析手段上更需引起注意,计算方法是否正确,计算过程是否合理,计算结果是否可信都将是考验工程师的难点。而今天本文将以一环形吊灯的稳定分析为例,引出柔性结构的分析过程及相关要点。


? ? ? ?本项目为某生态厂房中书架一铝合金环形吊灯,吊灯的平面里面布置以及尺寸如图1~2所示,吊灯内径5.1m,外径5.5m,吊灯截面如图3所示,由7根钢丝绳牵拉平衡,其中两根连接外框架的钢丝绳作为主受力绳,其余5根作为辅助平衡用。


1 吊灯布置立面图(mm)




2 吊灯布置平面图(mm)


3 吊灯截面构造图(mm


? ? ? ?采用Midas/Gen进行计算,其中钢丝绳用桁架单元模拟,铝合金吊灯板用板壳单元模拟,有限元计算模型如图4所示。结构主要承受自重荷载,铝合金板的自重已在软件中自动考虑,亚克力灯片的重量将以面荷载的形式加载到模型中,经换算得到面荷载大小为0.2kN/m2,加载位置示意如下图5所示。


4 有限元计算模型简图


5 模型加载示意图


? ? ? ?仅根据初始的几何形状建立有限元模型,在进行结构分析前我们只知道结构的未变形形状,但正如前文引言中所提及,要求解吊灯的平衡状态已经超出了小位移小应变的范畴,若按照常规有限元分析,则会得到异常的计算结果,而正确处理此问题应该将几何非线性引入,逐步进行加载,每一步迭代计算重新更新当前的结构几何位置并重新形成结构的刚度矩阵,最终找到结构的平衡位置,而基于最终的平衡位置更新节点坐标后,方可进行后续的屈曲分析,求解结构的失稳模态及相应的特征值。图6展示的是吊灯微变形前(白色线条)以及吊灯平衡后的位置。


6? 自重作用下结构的变形图(最大值为95mm


? ? ? ?图7与图8分别为吊灯前两阶的屈曲形态,可以看到其失稳模式均为板壳单元的局部失稳,表1为吊灯前20阶屈曲模态对应的特征值。


7 结构第一阶屈曲模态(钢丝绳处板壳局部失稳)


8? 结构第二阶屈曲模态(钢丝绳处板壳局部失稳)


? ? ? ?结构最低阶屈曲模态所对应的屈曲因子为29.77,也即要施加29.77倍的自重荷载时结构才会出现第一阶模态的屈曲,计算结果表明结构具有较大的稳定性富余度。


? ? ? ?随着人们对空间舒适性、视觉体验美观的要求提升,柔性体系在工程中的应用越来越广泛,本文通过一个实际应用案例简要引出了几何非线性分析在柔性结构分析中的重要性,此时结构的刚度矩阵不仅跟截面形状以及材料性质有关,还跟结构当前的空间位置有关,因此这类问题是一个需要逐级加载并逐步迭代的过程,有关具体实现过程本文将不再赘述,读者可自行查阅相关资料,欢迎广大工程师交流讨论。




??
?长按上面微信二维码关注我哟


建设工程检测鉴定中心——专业承接房屋安全鉴定、结构安全咨询和加固改造设计业务!


高等建筑结构分析咨询中心——专业承接大型、复杂结构工程的分析计算和设计咨询业务!


技术联系人:赖鸿立,电话:13312820151

业务联系人:蒋运林,电话:13380079411