基于ANSYS的整体张拉索膜结构荷载CAE分析【转发】

2017-09-05 by:CAE仿真在线来源:互联网

1 前言

索膜结构造型优美,富于时代气息,从其诞生起,就得到了工程界的广泛重视并且得到了长足的发展。整体张拉索膜结构是一种依靠膜自身的张力以及拉索共同组成的结构体系,该类结构主要由张拉索和上覆膜材料组成,其中拉索分为谷索、脊索和其他辅助索等,在此类结构中膜单元可以得到充分张拉,能够承受一定荷载。由于张拉索膜结构体型轻盈,造型美观,材料利用率极高,特别适合于大跨度建筑,因而在体育馆、美术馆、机场等大跨结构屋盖工程中得到应用。例如1967年蒙特利尔世博会德国馆就是最早的张拉索膜结构,它由8根高低错落的桅杆支撑起索网结构,在索网上张拉高强度膜材料。另外1988年美国建成的圣迭戈会议中心展览厅,以及1993年建成的新丹佛国际机场(见图1)等均采用了整体张拉索膜结构。

图一新丹佛国际机场

索膜结构是一种柔性张拉结构,结构自身刚度不能维持一个稳定的初始平衡形状,依靠预应力提供的几何刚度对结构内部的机构位移进行约束,赋予结构一定的初始形状,构成自平衡体系,从而使体系可以成为结构。索膜结构具有强烈的几何非线性特点,使其具有不同于其他结构的分析和设计方法,因此膜结构的找形和受载分析逐渐成为国内外研究的热点。ANSYS作为工程模拟的大型通用有限元计算软件,经过几十年的发展,在理论和算法上都趋于成熟,特别是在结构非线性(包括几何非线性和材料非线性)的求解分析方面具有独特的优越性,可以考虑大变形效应、应力刚化效应、预应力效应等,并且可对结构进行模态分析、瞬态动力分析、谐响应分析等动力分析,因此基于ANSYS的索膜结构分析和研究越来越受到科研人员和设计公司的重视。本文结合某一实际工程的算例分析来阐述ANSYS软件在整体张拉索膜结构体系设计研究中的应用。

2 ANSYS软件在整体张拉索膜结构承载分析中的应用

2.1ANSYS在结构体系静力性能分析中的应用

静力荷载分析的目的是通过求解由找形分析确定的索膜形态和曲面形式在各种外荷载组合作用下的变形及索膜内力,来检验结构刚度是否足够,结构位移变形是否在允许范围内,拉索受力是否合理,也就是说,是否能保证结构的稳定性,是否会出现过大的变形而导致索松弛或索应力过大而影响结构安全性能等,依此来进行结构的几何选型、材料选用及安全性评估。利用ANSYS软件对张拉索膜结构进行静力分析时,吊索、脊索、谷索、环索均采用LINK10单元,单元选项设置为只受拉(tensions only),上覆膜材采用SHELL41膜壳单元。索单元的预应力通过初始应变来施加,膜单元的预应力通过降温来施加。索膜结构在外荷载的作用下会产生较大的几何变形,故在进行ANSYS分析时,考虑结构的几何非线性效应,即计入大变形效应(NLGEOM命令)和激活应力刚化效应(SSTIF命令)。本文所分析结构的纯索ANSYS模型及覆膜后的ANSYS模型见图2。

依据规范进行了多种荷载组合下的结构体系设计,提取如下典型工况组合进行结构静力性能分析:工况1:自重+预应力;工况2:自重+全跨活荷载+预应力+降温;工况3:自重+半跨活荷载+预应力+降温;工况4:自重+预应力+吸风荷载+降温。通过ANSYS通用后处理技术,提取工况1-4下结构各构件最大内力、节点最大位移结果列于表1。

分析表1可知:在各荷载组合工况下,吊索、脊索、谷索、环索的应力比(内力与索破断力之比)均小于0.45,环索节点最大竖向位移为0.695m,满足承载力和刚度设计要求,结构安全。

2.2ANSYS在结构体系动力特性分析中的应用

索膜结构体型复杂,对风振作用非常敏感,在风动力作用下易表现出强机构性特征,研究膜结构的动力特性非常重要。ANSYS软件提供了模态分析的功能,可计算线性结构的固有频率和振型,可进行有预应力模态分析、大变形静力分析后有预应力模态分析等,能很好的应用于张拉索膜结构的动力特性分析中。应用ANSYS软件对本文中的结构进行大变形预应力模态分析,首先对结构体系进行静力求解,得到结构的静力平衡位置,即结构成形态,动力分析时,取结构成形态作为动力分析的初始态。通过模态分析得到索膜成形态的自振频率和振型,并分析其自振特性。提取前10阶自振频率和振型见表2,前4阶振型图见图3。

分析表2及图3可知:索膜成形态前10阶振型均为西面屋盖索膜的上下局部振动。这是由于西面屋盖悬挑长度最长,因此刚度相对较弱,自振频率比屋盖其他方向小。模型前10阶振型均为上下局部振动,未发生整体扭转或脊索、谷索的平面外扭转,说明上覆膜材提高了结构的水平刚度和扭转刚度。

2.3ANSYS在结构体系弹塑性性能分析中的应用

对于许多工程问题,近似地用线性理论来处理可使计算简单切实可行,并符合工程的精度要求,如对结构进行线性静力分析,结构的刚度不变化,荷载与位移呈线性关系。但是许多问题的荷载与位移为非线性关系,结构刚度是变化的,用线性理论完全不合适,必须用非线性理论解决。结构非线性问题主要有几何非线性、材料非线性、状态非线性三类,通常结构非线性不是单纯某类问题,如可能要同时考虑几何和材料非线性问题,称为双重非线性问题,这些问题ANSYS均可解决。

运用ANSYS软件对本文中的张拉索膜结构进行几何非线性(单非)和几何、材料双重非线性(双非)全过程分析,考察结构在20倍“自重+满跨活荷载”设计值下加载全过程中的力学响应。考虑应力刚化效应,采用Newton-Raphson法对结构进行非线性方程组求解。考虑膜上预应力的刚度贡献,将各种使用荷载(马道、吊挂物荷载、索夹重等)转化为节点荷载,各种活荷载施加于膜上各节点处,对节点分若干荷载步逐步加载。对材料进行弹塑性分析时,索单元采用LINK180三维有限应变杆单元,LINK180单元可考虑材料的非线性,具有塑性、蠕变、大变形、大应变等功能,通过实常数设置为只受拉不受压单元,再通过施加初应变的方法对其施加预应力。高强钢绞线应力-应变曲线没有明显的屈服点,超过比例极限后应变非线性增长较快,极限应变取为0.03,所以这里采用Von Mises屈服准则和随动强化准则的多线性模型,见图4。

ANSYS提供了时间历程后处理技术,时间历程后处理器POST26用于处理模型中节点的结果与时间或频率的关系,主要应用于动力学分析或非线性分析中,如动位移-时间关系、荷载-位移曲线、荷载-应力曲线等。对本文中的结构,分别选取东西向和南北向两处最大位移处附近的脊索、谷索、环索上的一个代表性节点,通过ANSYS时间历程后处理器功能,提取竖向位移变量随TIME变量变化的结果文本,并通过作图软件作出荷载-竖向位移曲线见图5,位移竖向下为正值,向上为负。“荷载系数”指所施加荷载与设计荷载的比值。在东、西、南三个方向对吊索、脊索、谷索、环索各选取1根代表性单元,提取索应力变量随TIME变量变化的结果文本,并通过作图软件绘制荷载-索应力曲线,见图6。分析图5、6可知环索应力在荷载系数6.2时达到1330MPa进入塑性,“双非”荷载-位移曲线和荷载-索应力曲线均出现明显转折点(称荷载系数6.2为体系名义屈服点),结构刚度锐减,竖向位移迅速增加。由图5可知,南吊索应力在荷载系数12时达到1670MPa,率先破坏,南侧环索在荷载系数15时应力达到1670MPa而破坏,宣告整个结构的破坏。

此外运用ANSYS中施加温度体荷载的方法(BFE命令),对某根吊索或脊索进行升温,使其在整个加载过程中应力一直保持为0,即一直处于松弛状态,以此来模拟吊索或脊索的破断,用于研究加载过程中结构不同位置的索破断对结构整体力学响应的影响及影响程度的不同,并分析断索对其临近的索膜力学响应的影响。限于篇幅在此不再赘述。

3 结论

通过对整体张拉索膜结构工程实际问题的计算分析,可以知道,利用ANSYS有限元软件可以对索膜结构的非线性问题进行准确的模拟和计算分析。通过单元的有效选择,模型的合理简化,边界条件的合理设置以及载荷的正确施加,并运用ANSYS提供的各种帮助收敛的选项,如选择合适的非线性方程的求解方法,定义平衡迭代的最大次数(NEQIT命令)、划分合理的荷载子步数(NSUBST命令)、定义收敛准则等,ANSYS能够实现索膜结构的找形和载荷分析,并取得良好的效果。通过分析,揭示了本文中索膜结构的静力性能、弹塑性性能和动力特性,并为工程实践提供指导。

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