CN113360972A - 一种带屋面板的凯威特网壳冲击仿真方法 - Google Patents
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Abstract
一种带屋面板的凯威特球面网壳冲击仿真方法。是为了解决带屋面板凯威特球面网壳难以建立、网壳冲击仿真周期长效率低下的问题。本发明包括如下步骤：建立凯威特网壳各部件模型；将模型导入ABAQUS中，生成有限元模型各部件，建立冲击物模型；装配各部件；连接模型各部件，设置边界条件；对屋面板施加荷载并布置重力场，设置冲击物速度；设置分析步，创建冲击物与网壳接触关系，选择接触算法；赋予网壳材料，设置冲击物质量；选择各部件单元类型，部署网格划分策略，记录各位置网格布种数；判断冲击区网格是否过度畸变，运算周期是否正常。本发明用于凯威特网壳冲击仿真。
Description
技术领域
本发明属于结构冲击领域，涉及一种带屋面板的凯威特网壳冲击仿真方法。
背景技术
随着人类社会复杂程度日益加深，结构在使用阶段遭受炸弹爆炸和飞行物冲击等极端偶然荷载作用的风险也在加大。大跨空间结构因其造型优美以及受力性能良好，往往是一个地区的地标性建筑物，凯威特球面网壳是最具代表性的形式之一，因其可灵活地覆盖较大空间且受力均匀而被广泛应用，而这类建筑同时具有人口阶段性密集的特点，更易成为恐怖袭击的目标，一旦在极端偶然事件下发生破坏甚至倒塌，会造成无法估量的严重后果。在此背景下，研究大跨空间结构尤其是凯威特球面网壳的冲击动力响应具有极其重要的政治经济意义。
对大跨空间结构抗冲击研究，当前主要采用数值模拟为主、试验为辅的方法，通过有限元模拟分析结构冲击动力响应，此外，目前针对凯威特球面网壳冲击仿真多数未考虑屋面板，主要原因是带屋面板凯威特球面网壳部件众多，结构复杂，较难建立模型，而且带屋面板凯威特球面网壳形式复杂必然导致运算周期加长效率低下。
发明内容
本发明的目的是提供一种带屋面板的凯威特网壳冲击仿真方法，此方法可以快速建立带屋面板的凯威特球面网壳，精确快速地模拟凯威特球面网壳冲击动力响应，解决带屋面板凯威特球面网壳难以建立、网壳冲击仿真周期长效率低下的问题。
本发明提供一种带屋面板的凯威特网壳冲击仿真方法，包括以下步骤：
步骤1：建立凯威特球面网壳主杆、檩条、立柱、铆钉、屋面板模型；
步骤2：使用ABAQUS中“Import”功能，将步骤1建立的K8型网壳主杆、檩条、立柱、铆钉和屋面板导入ABAQUS中，生成有限元网壳模型各部件，同时建立圆柱体冲击物；
步骤3：将步骤2各部件按网壳主杆、立柱、檩条、铆钉、屋面板、冲击物顺序由下向上放置，完成有限元模型装配；
步骤4：连接网壳各部件，设置网壳支撑位三向不动铰支座，完成有限元模型边界条件设置；
步骤5：对屋面板施加荷载并布置重力场，设置冲击物冲击速度；
步骤6：设置分析步，创建冲击物与网壳之间接触关系，选择接触算法；
步骤7：赋予网壳材料参数，设置冲击物质量；
步骤8：选择各部件单元类型，部署网壳各部件网格划分策略，划分网壳各部件与冲击物网格数量，记录网壳各部件各位置网格布种数；
步骤9：进行冲击物不同速度不同质量时网壳冲击模拟，观察网壳云图冲击区是否有网格过度畸变现象发生以及模型运算是否高效，
若冲击区存在网格过度畸变，回到步骤7，加密冲击区网格数量，
若冲击区网格表现正常，但运算周期过长，回到步骤7，减小冲击区网格数量，
若冲击区网格表现正常且运算周期在可接受范围内，输出网壳冲击动力响应并进行分析。
所述的一种带屋面板凯威特球面网壳冲击仿真方法，所述步骤1中，建立凯威特球面网壳主杆、檩条、立柱、铆钉、屋面板模型，具体过程是，
1.1）确定凯威特球面网壳基本参数，根据网壳主杆与檩条、屋面板几何关系，确定檩条和屋面板的跨度、矢高，使用大跨空间结构软件MST建立网壳主杆、檩条、屋面板模型，
1.2）将网壳主杆—檩条、檩条—屋面板导入AUTO-CAD中，连接网壳主杆与檩条生成主杆，连接檩条与屋面板生成铆钉，
1.3）把屋面板导入Rhino软件中，生成屋面板蒙皮。
所述的一种带屋面板凯威特球面网壳冲击仿真方法，所述步骤1.1）中，网壳主杆与檩条、屋面板几何尺寸关系的确定，具体过程是，
檩条或屋面跨度L 1、矢高f 1，通过下式确定：
式中，L为网壳主杆跨度，f为网壳主杆矢高，a为立柱及铆钉高度。
所述的一种带屋面板凯威特球面网壳冲击仿真方法，所述步骤4中，网壳模型各部件连接方式，具体过程是，对网壳所有节点进行编号，将网壳主杆、立柱、檩条、铆钉、屋面板依次连接，除主杆与立柱采用MPC-Beam刚接外，其余部件均采用MPC-Pin铰接方式连接，设置网壳支撑位三向不动铰支座，完成有限元模型边界条件设置。
所述的一种带屋面板凯威特球面网壳冲击仿真方法，所述步骤6中，冲击物与网壳接触方式为GeneralContact，接触算法采用罚函数法。
所述的一种带屋面板凯威特球面网壳冲击仿真方法，所述步骤8中，网壳主杆、檩条、立柱、铆钉采用显示梁单元B31，屋面板采用显示壳单元S4R，冲击物采用离散刚体单元R3D4。
所述的一种带屋面板凯威特球面网壳冲击仿真方法，所述步骤8中，部署网壳各部件网格划分策略，具体过程是保证冲击物与网壳接触区域网壳网格尺寸小于冲击物尺寸，对冲击物与网壳接触区域网格加密，对非接触区域粗略划分。
有益效果：
1.本发明实现了带屋面板的凯威特球面网壳冲击仿真分析。
2.运用大跨空间结构软件MST建立网壳主杆、檩条、屋面板模型，利用AUTO-CAD建立网壳立柱，铆钉模型，使用Rhino软件生成屋面板蒙皮，解决了带屋面板模型难以建立的问题。
3.选用带屋面板网壳各部件单元，合理简化网壳模型，减少仿真运算周期，提高数值模拟运算效率。
4.合理部署网壳各部件网格划分策略，对网壳与冲击物接触区域网格进行加密，选择合理合适的接触类型和接触算法，以此方式提高冲击仿真精度与可信度，为网壳结构设计提供依据。
附图说明
图1为本发明采用的一种带屋面板的凯威特球面网壳冲击仿真方法流程图；
图2为网壳主杆与檩条、屋面板几何关系示意图；
图3为带屋面板的凯威特球面网壳各部件示意图；
图4为带屋面板的凯威特球面网壳各部件连接方式示意图；
图5为带屋面板的凯威特球面网壳整体示意图；
图6为带屋面板的凯威特球面网壳采用单元示意图；
图7为带屋面板的凯威特球面网壳网格划分策略。
具体实施方式
实施例1：
参照图1，为本发明采用的一种带屋面板的凯威特球面网壳冲击仿真方法流程图，按照一下步骤实施：
步骤1：建立凯威特球面网壳主杆、檩条、立柱、铆钉、屋面板模型；
步骤2：使用有限元分析软件ABAQUS中“Import”功能，将步骤1建立的K8型网壳主杆、檩条、立柱、铆钉和屋面板导入ABAQUS中，生成有限元网壳模型各部件，同时建立圆柱体冲击物；
步骤3：将步骤2各部件按网壳主杆、立柱、檩条、铆钉、屋面板、冲击物顺序由下向上放置，完成有限元模型装配；
步骤4：连接网壳各部件，设置网壳支撑位三向不动铰支座，完成有限元模型边界条件设置；
步骤5：对屋面板施加荷载并布置重力场，设置冲击物冲击速度；
步骤6：设置分析步，创建冲击物与网壳之间接触关系，选择接触算法；
步骤7：赋予网壳材料参数，设置冲击物质量；
步骤8：选择各部件单元类型，部署网壳各部件网格划分策略，划分网壳各部件与冲击物网格数量，记录网壳各部件各位置网格布种数；
步骤9：进行冲击物不同速度不同质量时网壳冲击模拟，观察网壳云图冲击区是否有网格过度畸变现象发生以及模型运算是否高效，
若冲击区存在网格过度畸变，回到步骤7，加密冲击区网格数量，
若冲击区网格表现正常，但运算周期过长，回到步骤7，减小冲击区网格数量，
若冲击区网格表现正常且运算周期在可接受范围内，输出网壳冲击动力响应并进行分析。
实施例2：
根据实施例1所述的一种带屋面板的凯威特网壳冲击仿真方法，所述步骤1中，建立凯威特球面网壳主杆、檩条、立柱、铆钉、屋面板模型，具体过程是，
1.1）确定凯威特球面网壳基本参数，根据网壳主杆与檩条、屋面板几何关系，确定檩条和屋面板的跨度、矢高，使用大跨空间结构软件MST建立网壳主杆、檩条、屋面板模型；
1.2）将网壳主杆—檩条、檩条—屋面板导入AUTO-CAD中，连接网壳主杆与檩条生成主杆，连接檩条与屋面板生成铆钉；
1.3）把屋面板导入Rhino软件中，生成屋面板蒙皮。
实施例3：
根据实施例1或2所述的一种带屋面板的凯威特网壳冲击仿真方法，所述步骤1.1）中，网壳主杆与檩条、屋面板几何尺寸关系的确定，具体过程是，
檩条或屋面跨度L 1、矢高f 1，通过下式确定：
式中，L为网壳主杆跨度，f为网壳主杆矢高，a为立柱及铆钉高度。
实施例4：
根据实施例1或2或3所述的一种带屋面板的凯威特网壳冲击仿真方法，所述步骤4中，网壳模型各部件连接方式，具体过程是，对网壳所有节点进行编号，将网壳主杆、立柱、檩条、铆钉、屋面板依次连接，除主杆与立柱采用MPC-Beam刚接外，其余部件均采用MPC-Pin铰接方式连接，设置网壳支撑位三向不动铰支座，完成有限元模型边界条件设置。
实施例5：
根据实施例1或2或3或4所述的一种带屋面板的凯威特网壳冲击仿真方法，所述步骤6中，冲击物与网壳接触方式为GeneralContact，接触算法采用罚函数法。
实施例6：
根据实施例1或2或3或4或5所述的一种带屋面板的凯威特网壳冲击仿真方法，所述步骤8中，网壳主杆、檩条、立柱、铆钉采用显示梁单元B31，屋面板采用显示壳单元S4R，冲击物采用离散刚体单元R3D4。
实施例7：
根据实施例1或2或3或4或5或6所述的一种带屋面板的凯威特网壳冲击仿真方法，所述步骤8中，部署网壳各部件网格划分策略，具体过程是保证冲击物与网壳接触区域网壳网格尺寸小于冲击物尺寸，对冲击物与网壳接触区域网格加密，对非接触区域粗略划分。
Claims (7)
1.一种带屋面板的凯威特球面网壳冲击仿真方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：建立凯威特球面网壳主杆、檩条、立柱、铆钉、屋面板模型；
步骤2：使用有限元分析软件ABAQUS中Import功能，将步骤1建立的K8型网壳主杆、檩条、立柱、铆钉和屋面板导入ABAQUS中，生成有限元网壳模型各部件，同时建立圆柱体冲击物；
步骤3：将步骤2各部件按网壳主杆、立柱、檩条、铆钉、屋面板、冲击物顺序由下向上放置，完成有限元模型装配；
步骤4：连接网壳各部件，设置网壳支撑位三向不动铰支座，完成有限元模型边界条件设置；
步骤5：对屋面板施加荷载并布置重力场，设置冲击物冲击速度；
步骤6：设置分析步，创建冲击物与网壳之间接触关系，选择接触算法；
步骤7：赋予网壳材料参数，设置冲击物质量；
步骤8：选择各部件单元类型，部署网壳各部件网格划分策略，划分网壳各部件与冲击物网格数量，记录网壳各部件各位置网格布种数；
步骤9：进行冲击物不同速度不同质量时网壳冲击模拟，观察网壳云图冲击区是否有网格过度畸变现象发生以及模型运算是否高效，
若冲击区存在网格过度畸变，回到步骤7，加密冲击区网格数量，
若冲击区网格表现正常，但运算周期过长，回到步骤7，减小冲击区网格数量，
若冲击区网格表现正常且运算周期在可接受范围内，输出网壳冲击动力响应并进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种带屋面板的凯威特球面网壳冲击仿真方法，其特征是：所述步骤1中，建立凯威特球面网壳主杆、檩条、立柱、铆钉、屋面板模型，具体过程是，
1.1）确定凯威特球面网壳基本参数，根据网壳主杆与檩条、屋面板几何关系，确定檩条和屋面板的跨度、矢高，使用大跨空间结构软件MST建立网壳主杆、檩条、屋面板模型；
1.2）将网壳主杆—檩条、檩条—屋面板导入AUTO-CAD中，连接网壳主杆与檩条生成主杆，连接檩条与屋面板生成铆钉；
1.3）把屋面板导入Rhino软件中，生成屋面板蒙皮。
3.根据权利要求2所述的一种带屋面板的凯威特球面网壳冲击仿真方法，其特征是：所述步骤1.1）中，网壳主杆与檩条、屋面板几何尺寸关系的确定，具体过程是，
檩条或屋面跨度L 1、矢高f 1，通过下式确定：
式中，L为网壳主杆跨度，f为网壳主杆矢高，a为立柱及铆钉高度。
4.根据权利要求1所述的一种带屋面板的凯威特球面网壳冲击仿真方法，其特征是：所述步骤4中，网壳模型各部件连接方式，具体过程是，对网壳所有节点进行编号，将网壳主杆、立柱、檩条、铆钉、屋面板依次连接，除主杆与立柱采用MPC-Beam刚接外，其余部件均采用MPC-Pin铰接方式连接，设置网壳支撑位三向不动铰支座，完成有限元模型边界条件设置。
5.根据权利要求1所述的一种带屋面板的凯威特球面网壳冲击仿真方法，其特征是：所述步骤6中，冲击物与网壳接触方式为GeneralContact，接触算法采用罚函数法。
6.根据权利要求1所述的一种带屋面板的凯威特球面网壳冲击仿真方法，其特征是：所述步骤8中，网壳主杆、檩条、立柱、铆钉采用显示梁单元B31，屋面板采用显示壳单元S4R，冲击物采用离散刚体单元R3D4。
7.根据权利要求1所述的一种带屋面板的凯威特球面网壳冲击仿真方法，其特征是：所述步骤8中，部署网壳各部件网格划分策略，具体过程是保证冲击物与网壳接触区域网壳网格尺寸小于冲击物尺寸，对冲击物与网壳接触区域网格加密，对非接触区域粗略划分。
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