工程网架结构参数化建模和动力特性分析.docx

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工程网架结构参数化建模和动力特性分析

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

Abstrat

Gridstructureisagoodlarge-spanroofstructure,withspaceforce,stiffness,tosavesteelandanti-vibrationperformanceandtheheightofthebuildingsmallerandtheshapeofaesthetics,etc.Atpresent,therearelargestadium,exhibitionhall,theaters,industrialplantsBlock,thousandsofwarehouseroofusingthenetworkstructure,itiswidelyusedtopromoteitsconductin-depthstudies.Thissubjectisaboutmakinggridstructureofgymnasiumsimplifytodouble-layergridsmodel,usingfiniteelementsoftwareANSYStoanalysis,thenposetheplanofimprovedstructureaccordingtotheresults.Ithasgreatmeaningtotestoriginaldesignandguidedesignmodify.

InselfsimultaneousAPDLlanguagerealizesthenetrackamongtheproblembythefactthatfiniteelementmethodanalysesasoftwareparameterizationbuildamodel,Exertconstraintandloading,canbeeffectiveshorteningtheprocesshavingcoveredthetimebuildingamodelaswithanet,havingsimplifiedcoveringarackaswithanettobuildamodel.

AnalysethecomparisonbeinginprogressbythefactthatANSYSputsupstaticforceundertwokindsdifferentsupportingconditiontothenet,NetworkcanbefounddeformationthatthegriddeformationinX,Y,Zdirectionwilltaketurns,ButinZdirectionasthemaindeformation.Meanwhilebardistributionofinternalforcescometodifferentconstraintsarisingfromthechange,sotheactualconstructionworksshouldbeconsidered.

Usingmodalanalysistodeterminethegridstructureofthe10-modalshapeandnaturalfrequency,wewillbeabletodesignandmakeimprovementstothegridstructuretoavoiditsnaturalfrequencyinthecourseoftheexternalexcitationfrequency.Afterthesametimeastheharmonicresponselaythefoundationforanalysis.

Throughfurtherrandomvibrationspectrumanalysis,seismicwaveofnetworkstructure,identifydangerousspotsresponsefrequency,sothatthenetworkinpracticalsituationstoavoideasyresonancefrequencythatgridofthelowerfrequency.

[Keyword]:

Double-layergrids；Finiteelementmethod；Static；Modeanalysis；Spectrumanalysis

第一章绪论

１.１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、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。

１.２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。

１.３工程网架结构的概况及发展方向

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。

空间网架结构是空间网格结构的一种，所谓“空间结构”是相对“平面结构”而言，它具有三维作用的特性，空间结构也可以看作平面结构的扩展和深化。

空间结构问世以来，以其高效的受力性能、新颖美观的形式和快速方便的施工受到人们的欢迎。

在需要大跨度、大空间的体育场馆、会展中心、文化设施、交通枢纽乃至工业厂房，无不见到空间结构的踪影。

二十世纪初期，钢铁材料为网架结构的发展提供了条件，其后的铝合金则使得网架的杆件更轻巧。

近些年来的复合材料，特别是大量的新型建筑材料被开发出来，对空间结构的发展产生了强烈的影响。

材料应用