[發(fā)明專(zhuān)利]空間圓管結(jié)構(gòu)極限承載力分析的一次線彈性估算方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611170502.4
• 申請(qǐng)日: 2016-12-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106599489A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張偉;張陽(yáng);陳正;陳嘉其
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 廣西大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 廣西南寧公平知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司45104
• 代理人: 黃永校

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種空間圓管結(jié)構(gòu)極限承載力分析的數(shù)值方法，具體是一種空間圓管結(jié)構(gòu)極限承載力分析的一次線彈性估算方法。

背景技術(shù)

圓管是一種典型的薄壁桿件，具有雙軸對(duì)稱(chēng)、剛度相對(duì)較高等優(yōu)點(diǎn)，常用作結(jié)構(gòu)體系中的重要承載構(gòu)件，在建筑工程、橋梁工程和輸變電工程等中得到廣泛應(yīng)用。與平面圓管結(jié)構(gòu)通常考慮軸力和單向彎矩的作用不同，空間圓管結(jié)構(gòu)需要考慮軸力與雙向彎矩的聯(lián)合作用。因而，保證空間圓管結(jié)構(gòu)的安全性是十分重要的工程問(wèn)題，極限承載力是表征整體安全性的重要指標(biāo)，因而相關(guān)研究是空間圓管結(jié)構(gòu)研究的重要課題。

空間圓管結(jié)構(gòu)的極限承載力分析方法主要有解析法和數(shù)值法。解析法包括靜力法和機(jī)動(dòng)法，靜力法利用平衡方程和屈服條件求解極限承載力，能直接給出結(jié)構(gòu)極限承載力的計(jì)算式，但需要求解不等式組，僅適用于簡(jiǎn)單剛架結(jié)構(gòu)；機(jī)動(dòng)法在可能失效模式上通過(guò)能量原理求解極限承載力，但對(duì)于復(fù)雜剛架結(jié)構(gòu)，采用機(jī)動(dòng)法分析時(shí)，難以確定所有可能失效模式的問(wèn)題。數(shù)值法可應(yīng)用于復(fù)雜剛架結(jié)構(gòu)的極限承載分析，主要包括彈塑性增量分析法(Elastic Plastic Incremental Analysis,簡(jiǎn)記EPIA)、數(shù)學(xué)規(guī)劃法(Mathematical Programming Analysis,簡(jiǎn)記MPA)和彈性模量調(diào)整法(Elastic Modulus Adjustment Procedure,簡(jiǎn)記EMAP)。EPIA具有可靠的理論，計(jì)算精度高，其有效性已經(jīng)得到大量模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，已應(yīng)用于鋼框架和鋼管拱橋等圓管結(jié)構(gòu)中，通常被用做檢驗(yàn)其他分析方法的精度，但其求解工程結(jié)構(gòu)的極限承載力需考慮復(fù)雜的加載過(guò)程，計(jì)算量大；MPA是依據(jù)極限定理求解約束條件下的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，然而其非線性約束條件和目標(biāo)函數(shù)會(huì)使計(jì)算量大，計(jì)算效率較低；EMAP原理簡(jiǎn)單、能避開(kāi)復(fù)雜的彈塑性分析過(guò)程，但需要進(jìn)行多次線彈性迭代分析及調(diào)整彈性模量，造成計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，工程應(yīng)用較困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種空間圓管結(jié)構(gòu)極限承載力分析的一次線彈性估算方法，能夠結(jié)合有限元分析軟件通過(guò)一次線彈性分析，準(zhǔn)確、快速地求解空間圓管結(jié)構(gòu)的極限承載力，為評(píng)估空間圓管結(jié)構(gòu)的整體安全性提供了高效的方法。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的：空間圓管結(jié)構(gòu)極限承載力分析的一次線彈性估算方法，包括以下步驟：

(1)建立空間圓管結(jié)構(gòu)分析模型

確定空間圓管結(jié)構(gòu)幾何尺寸、材料參數(shù)、荷載狀況和約束條件，建立空間圓管結(jié)構(gòu)分析模型。

(2)確定失效單元

計(jì)算各個(gè)單元的單元失效系數(shù)，將單元失效系數(shù)α^e大于基準(zhǔn)失效系數(shù)α₀的單元選為失效單元。

(3)一次線彈性估算方法計(jì)算空間圓管結(jié)構(gòu)極限承載力

計(jì)算空間圓管結(jié)構(gòu)失效單元的彈性應(yīng)變能U^e和塑性耗散功D^e，采用一次線彈性估算方法計(jì)算空間圓管結(jié)構(gòu)的極限承載力P_L為：

其中，R表示空間圓管結(jié)構(gòu)失效單元的個(gè)數(shù)；e表示單元編號(hào)。

所述確定空間圓管結(jié)構(gòu)幾何尺寸包括梁長(zhǎng)、柱高、截面的外半徑R_O和內(nèi)半徑R_I。

所述的材料參數(shù)為材料的屈服強(qiáng)度。

所述的單元失效系數(shù)α^e由單元承載比r^e和單元承載比的最大值r^max計(jì)算得到，其計(jì)算模型為

其中，r^e的計(jì)算模型為

其中，N、M_y和M_z分別表示截面的軸力、兩個(gè)方向的彎矩；N_p、M_py和M_pz表示對(duì)應(yīng)上述各內(nèi)力單獨(dú)作用下的截面抗力。

所述的基準(zhǔn)失效系數(shù)α₀為判斷結(jié)構(gòu)中單元是否失效的基準(zhǔn)值，范圍為0.5～0.6。

所述的空間圓管結(jié)構(gòu)單元的彈性應(yīng)變能U^e為：