CN107451335A - 一种引入蒙皮效应的铝合金网格结构整体稳定分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种引入蒙皮效应的铝合金网格结构整体稳定分析方法，其通过在构建的铝合金网格结构的有限元模型上添加蒙皮板，以形成蒙皮结构的有限元模型，并据此进行网格结构整体稳定分析。该方案可以考虑网格结构中蒙皮板的有利作用，更符合实际工程结构受力情况，可以减小杆件尺寸、节约材料用量、降低结构造价；有利于铝合金网格结构的发展。

Description

一种引入蒙皮效应的铝合金网格结构整体稳定分析方法
技术领域
本发明涉及建筑设计领域，具体涉及铝合金网格结构整体稳定分析方案。
背景技术
蒙皮效应是指在建筑物的表面覆盖材料(屋面板和墙板)，利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。它的结构概念来自于飞机和轮船行业中在纵横肋上蒙上金属薄板而形成的带肋薄壳结构，蒙皮与肋共同工作，蒙皮自身在其平面内具有很大的拉、压和剪切强度，且由于有肋的作用，蒙皮不会失稳。因此这种结构具有较大承载力及刚度，而自重却很轻。
工程中通常只将蒙皮作为一种结构上的储备。对于空间网格结构来说，传统的设计方法是将网壳结构的表面覆盖材料如外包玻璃等作为维护结构，设计时考虑覆盖材料的自重但不考虑其承载力。而事实上，当表面覆盖层与网壳结构可靠连接成为整体结构时，结构的竖向刚度、面内抗剪刚度与强度均有一定的增加，能够抵抗较大荷载。表面覆盖层可以对与之相连的受弯或受压的杆件提供连续侧向支撑或抗扭支撑，提高这些构件的稳定承载力和刚度，加强结构的空间整体性及起到了侧向支撑的作用，可以将这种现象理解为空间网格结构的蒙皮效应。显然，蒙皮板的空间联系作用可把结构各构件联系起来协同受力，使得结构中的各构件较为均匀地发挥自身的承载能力，提高结构抵抗外荷载的效率。
然而目前工程的实际设计中通常不考虑蒙皮效应，仅有的蒙皮效应实际工程大多应用于厂房的设计建造中。设计中不考虑蒙皮作用，既不利于节约材料的方针政策，也不完全符合实际工程结构受力情况，可能会导致安全隐患。
到目前为止，现有诸多大跨度空间结构的设计和建造使用了铝合金。但就金属空间结构建筑物的总体数量而言，传统的钢结构仍占据主导地位，而铝合金空间结构只占到其中的一小部分。这其中很重要的原因是工程造价的制约，铝合金材料比钢材价格贵。在铝合金结构设计中考虑蒙皮效应，可使铝材使用量减小，提高经济性，减少与钢结构造价的差距，有利于铝合金这种新型材料进一步的发展与应用。
由此，研究考虑蒙皮效应的铝合金网格结构整体稳定分析方案是本领域亟待解决的重要技术问题。
发明内容
针对现有铝合金网格结构整体稳定分析方案所存在的弊端，需要一种考虑蒙皮效应的铝合金网格结构整体稳定分析方案。
为此，本发明所要解决的技术问题是提供一种引入蒙皮效应的铝合金网格结构整体稳定分析方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的引入蒙皮效应的铝合金网格结构整体稳定分析方法，通过在构建的铝合金网格结构的有限元模型上添加蒙皮板，以形成蒙皮结构的有限元模型，并据此进行网格结构整体稳定分析。
在本方案中，通过构建APDL蒙皮板添加功能模块，并以此在构建的铝合金网格结构的有限元模型上添加蒙皮板。
在本方案中，将铝合金网格结构所采用的结构设计模型导入到ANSYS有限元模型中，形成铝合金网格结构的有限元模型。
在本方案中，通过构建有限元转换模块，并利用该模块将结构设计所采用的结构计算模型转换为ANSYS有限元模型，转换模型包括结构的模型与荷载工况。
在本方案中，在形成蒙皮结构的有限元模型后，设定蒙皮板的材料参数、设定蒙皮板与铝合金杆件的连接刚度。
在本方案中，所述蒙皮板材料参数包括蒙皮板密度、弹性模量、屈服强度、材料本构模型等。
在本方案中，所述材料本构模型可采用双折线或者多折线弹塑性模型。
在本方案中，所述蒙皮板与铝合金杆件的连接刚度，通过试验方法或有限元模拟方法获得。
在本方案中，在进行网格结构整体稳定分析时，在蒙皮结构的有限元模型的基础上施加荷载与约束，以计算网格结构整体稳定承载力。
在本方案中，所述稳定承载力计算为非线性承载力计算。
本方案提供的引入蒙皮效应的铝合金网格结构整体稳定分析方法具有以下优点：可以考虑网格结构中蒙皮板的有利作用，更符合实际工程结构受力情况，可以减小杆件尺寸、节约材料用量、降低结构造价；有利于铝合金网格结构的发展。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明提供的引入蒙皮效应的铝合金网格结构整体稳定分析方法的流程示意图；
图2为本发明第一实施例中有限元模型图；
图3为本发明第一实施例中得到的荷载-位移曲线；
图4为本发明第二实施例中有限元模型图；
图5为本发明第二实施例中得到的荷载-位移曲线；
图6为本发明第三实施例中有限元模型图；
图7为本发明第三实施例中得到的荷载-位移曲线。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本方案通过在构建的铝合金网格结构的有限元模型上添加蒙皮板，以形成蒙皮结构的有限元模型，并据此进行网格结构整体稳定分析。由此可考虑网格结构中蒙皮板的有利作用，符合实际工程结构受力情况，还可以减小杆件尺寸、节约材料用量、降低结构造价。
参见图1，其所示为本发明中引入蒙皮效应的铝合金网格结构整体稳定分析方法的流程示意图。
由图可知，该引入蒙皮效应的铝合金网格结构整体稳定分析方案，主要包括以下步骤：
步骤1：创建铝合金网格结构的有限元模型。
这里的有限元模型的创建，可以根据结构设计模型在有限元软件中直接建模。但具体方案并不限于此。
作为替代方案，可通过相应的有限元转换程序，将由常规的工程设计软件(例如PKPM、YJK、ETABS、SAP2000等)中设计的铝合金网格结构模型导入到有限元软件ANSYS中，即将结构设计所采用的结构计算模型转换为ANSYS有限元模型，转换模型包括结构的模型与荷载工况，由此来创建铝合金网格结构的有限元模型。
这样可以避免在有限元软件中建模带来的繁琐，还可以保证导入模型的准确性，同时可以将荷载工况直接导入到有限元模型中，极大的提高了转换模型过程中的工作效率。
在具体实现时，通过构建有限元转换模块，再利用该有限元转换模块将结构设计所采用的结构计算模型转换为ANSYS有限元模型。该转换模型包括结构的模型与荷载工况。
步骤2：对创建的铝合金网格结构有限元模型中的铝合金网格结构添加蒙皮板，形成蒙皮结构的有限元模型。
在导入的有限元模型中，通常只有杆件，而没有蒙皮板，本方案通过创建APDL程序，可以快速的在网格结构表面加上所需面单元，生成蒙皮结构的有限元模型。
具体的，基于APDL程序，构建APDL蒙皮板添加功能模块，再利用该模块在构建的铝合金网格结构的有限元模型上添加蒙皮板。
步骤3：对形成的蒙皮结构有限元模型设定蒙皮板的材料参数。
这里的蒙皮板材料参数包括蒙皮板密度、弹性模量、屈服强度、材料本构模型等，材料本构模型可采用双折线或者多折线弹塑性模型。
步骤4：设定蒙皮板与铝合金网格结构中铝合金杆件的连接刚度。
本方案中针对蒙皮板与铝合金杆件连接节点的连接刚度，利用试验方法或相应的有限元模拟方法等获得。
步骤5：施加荷载与约束。
具体根据实际工程，考虑不同单荷载工况或荷载组合工况，施加相应约束。
步骤6：计算网格结构整体稳定承载力。
本方案中，针对单层网壳以及厚度小于跨度1/50的双层网壳均应进行稳定性计算。
同时，针对大型和形状复杂的网壳结构采用考虑材料弹塑性的全过程分析方法。
再者，进行网壳全过程分析时应考虑初始几何缺陷的影响。
根据相关规程要求，整体稳定承载力的计算可以考虑几何非线性、材料非线性、初始缺陷等影响因素，计算稳定承载力。
通过该分析方案进行分析得到的结果可知，利用本分析方案可有效引入蒙皮效应，能够很好的考虑网格结构中蒙皮板的有利作用，更符合实际工程结构受力情况，可以减小杆件尺寸、节约材料用量、降低结构造价；有利于铝合金网格结构的发展。
针对上述的引入蒙皮效应的铝合金网格结构整体稳定分析方案，以下通过相应的应用实例进一步的说明。
实施例1
参见图2，其所示为本实例中形成的蒙皮结构有限元模型图，该模型为椭球面单层网壳，网壳杆件与表面板件均采用铝合金材料。
其中，铝合金网结构长轴方向长度97.40m，短轴方向长度147.00m，矢高36.00m。设计模型为SAP2000模型，通过创建的有限元转换程序，将设计模型转入ANSYS中；同时，在有限元模型上增加蒙皮板形成蒙皮结构的有限元模型。
然后通过设定材料参数，将蒙皮板厚度分别设为0.6mm、0.9mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm，采用双折线模型。设定蒙皮板与杆件为刚接。
在此基础上进行对网壳进行弹塑性稳定分析。参见图3，其所示为本实例中对网壳进行弹塑性稳定分析得到的荷载-位移曲线。
实施例2
参见图4，其所示为本实例中形成的蒙皮结构有限元模型图，该模型为椭球面单层网壳，网壳杆件与表面板件均采用铝合金材料。
其中，铝合金网结构长轴方向长度为98.25m，短轴方向长度为66.53m，矢高26.65m。
在此基础上对该网壳进行弹塑性稳定分析，分析方法与第一实施例相同。
参见图5，其所示为本实例对该网壳进行弹塑性稳定分析得到的荷载-位移曲线。
实施例3
参见图6，其所示为本实例中形成的蒙皮结构有限元模型图，该模型为椭球面单层网壳，网壳杆件与表面板件均采用铝合金材料。
其中，本实例中的铝合金网结构长轴方向长度为79.50m，短轴方向长度为59.50m，矢高21.05m。
在此基础上对该网壳进行弹塑性稳定分析，分析方法与第一实施例相同。
参见图7，其所示为本实例对该网壳进行弹塑性稳定分析得到的荷载-位移曲线。
由以上实例可知，本分析方案在铝合金网格结构整体稳定分析过程中，可有效的引入蒙皮效应，完成整个非线性计算，实现对铝合金网格结构整体稳定性的全面分析。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种引入蒙皮效应的铝合金网格结构整体稳定分析方法，其特征在于，通过在构建的铝合金网格结构的有限元模型上添加蒙皮板，以形成蒙皮结构的有限元模型，并据此进行网格结构整体稳定分析。
2.根据权利要求1所述的铝合金网格结构整体稳定分析方法，其特征在于，通过构建APDL蒙皮板添加功能模块，并以此在构建的铝合金网格结构的有限元模型上添加蒙皮板。
3.根据权利要求1所述的铝合金网格结构整体稳定分析方法，其特征在于，将铝合金网格结构所采用的结构设计模型导入到ANSYS有限元模型中，形成铝合金网格结构的有限元模型。
4.根据权利要求3所述的铝合金网格结构整体稳定分析方法，其特征在于，通过构建有限元转换模块，并利用该模块将结构设计所采用的结构计算模型转换为ANSYS有限元模型，转换模型包括结构的模型与荷载工况。
5.根据权利要求1所述的铝合金网格结构整体稳定分析方法，其特征在于，在形成蒙皮结构的有限元模型后，设定蒙皮板的材料参数、设定蒙皮板与铝合金杆件的连接刚度。
6.根据权利要求5所述的铝合金网格结构整体稳定分析方法，其特征在于，所述蒙皮板材料参数包括蒙皮板密度、弹性模量、屈服强度、材料本构模型等。
7.根据权利要求6所述的铝合金网格结构整体稳定分析方法，其特征在于，所述材料本构模型可采用双折线或者多折线弹塑性模型。
8.根据权利要求5所述的铝合金网格结构整体稳定分析方法，其特征在于，所述蒙皮板与铝合金杆件的连接刚度，通过试验方法或有限元模拟方法获得。
9.根据权利要求1所述的铝合金网格结构整体稳定分析方法，其特征在于，在进行网格结构整体稳定分析时，在蒙皮结构的有限元模型的基础上施加荷载与约束，以计算网格结构整体稳定承载力。
10.根据权利要求9所述的铝合金网格结构整体稳定分析方法，其特征在于，所述稳定承载力计算为非线性承载力计算。
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