铸钢分叉节点疲劳性能和拓扑优化研究

发布时间：2020-05-14 20:13

【摘要】：随着建筑技术的发展,结构体系与节点构造日趋复杂。铸钢节点由于整体浇注成型,可根据节点的受力特性生产出具有复杂外形和内腔的节点,使节点的形状、截面、构造分布合理,实现节点在改善应力分布的同时具有美观和流线化的外形,从而解决了常规节点在受力大、构造复杂结构中无法解决的连接问题,因此在大跨度空间结构中得到了普遍的应用。然而,在风荷载、地震荷载等交变荷载作用下,铸钢节点易产生疲劳累积损伤,造成节点在低于设计荷载水平时,由于交变荷载的往复作用而发生疲劳破坏,导致灾难性的事故和巨大的财产损失。本文针对铸钢分叉节点的疲劳性能进行研究,以铸钢三分叉节点为对象,对铸钢分叉节点以及铸钢分叉节点与构件连接处焊缝的疲劳问题进行分析,并对疲劳约束下的铸钢分叉节点开展了拓扑优化研究。首先,利用ANSYS Workbench研究了承受交变荷载作用的铸钢三分叉节点的疲劳性能,分析了节点的疲劳危险区域的分布位置,计算了节点的疲劳寿命,讨论了几何参数对铸钢分叉节点的疲劳寿命和疲劳危险区域分布位置的影响规律。得到几何参数中主分管间夹角θ、径厚比γ、管径比β、倒角半径R1、倒角半径R2对节点的疲劳寿命影响较大;铸钢分叉节点的疲劳薄弱环节位于主分管汇交核心区域处。其次,利用AR法对铸钢分叉节点的脉动风速时程曲线进行模拟和计算,采用准定常假设将风速时程转换为对应的风荷载,得到节点处的风载荷谱,并利用MSC.Fatigue计算了节点在风荷载作用下的疲劳寿命;通过对承受风荷载作用的不同几何参数的节点的疲劳寿命的讨论,得到主分管间夹角θ对节点的疲劳寿命影响最为显著。再次,利用谱分析法,将波浪荷载等价为平稳随机过程,利用修正的皮尔逊-莫斯柯维奇谱,建立波浪的功率谱密度函数,计算应力响应功率谱,实现铸钢三分叉节点中的危险点的疲劳寿命评估;基于有限元计算结果,验算了铸钢分叉节点中的危险点的疲劳强度。得到海况概率较低但波高较大的海况,对结构造成的疲劳损伤占总的疲劳损伤比例较大,危险点疲劳强度安全系数能够达到3以上。再次,利用等效结构应力法对铸钢分叉节点的环形对接焊缝进行了疲劳分析。通过等效结构应力场和缺口应力场确定网格不敏感结构应力,并综合考虑裂纹扩展、缺口应力和疲劳寿命等因素的影响,实现等效结构应力的转化,再结合主S-N曲线计算焊缝的疲劳循环次数。在ABAQUS静力分析的基础上,利用基于等效结构应力法原理而开发的有限元分析软件FE-SAFE/VERITY,对铸钢分叉节点环形对接焊缝的疲劳寿命进行了计算。得到最危险处的循环次数为10~(5.711),采用VERITY自动识别焊缝所在的域组可实现多条焊缝或多种破坏模式的分析,等效结构应力法具有网格不敏感性。最后,以疲劳寿命分析原理为基础,把疲劳约束转化为应力约束,利用OptiStruct对不同约束方式下的铸钢分叉节点进行了拓扑优化分析。得到节点在竖向荷载和水平荷载两种不同的约束下,拓扑优化的结果具有差异性;节点在竖向荷载作用下,低应力区域主要集中在主管和分管上,是优化的关键部分,而在水平荷载作用下低应力区域主要分布在三支分管上,分管优化的区域沿着分管环向不均匀分布。
【图文】：

铸钢节点

第一章绪论1.1 引言随着有限元建模技术与锻造工艺的进步和发展，铸钢节点在建筑结构领域中的用越来越普遍[1-5]。相对于其他常用的节点来说，铸钢节点整体浇注成型，可根据节的受力特性生产出具有复杂外形和内腔的节点，使节点的形状、截面、构造分布合理实现节点在改善应力分布的同时具有美观和流线化的外形，，如图 1-1 所示。同时，体浇注的批量生产可实现铸钢节点的空间分布角度和尺寸精度的准确控制，避免了点在施工现场中相贯线的切割和复杂的焊接工序，极大地减小了焊缝处的残余应力施工方便快捷，解决了常规节点在受力大、构造复杂结构中无法解决的连接问题。

铸钢节点,工程,相贯节点

（c）斯图加特机场的航站楼（d）伦敦眼图 1-2 铸钢节点在工程中的应用Fig. 1-2 Application of cast steel joints in Engineering表 1-1 铸钢节点在国内工程的应用实例Table.1-1 Engineering application examples of cast steel joints in China工程名称铸钢节点类型结构形式上海国际博览中心铸钢相贯节点钢管桁架柔性支撑结构体系深圳文化中心半空心半实心的铸钢相贯节点树状结构南京奥林匹克体育中心铸钢空心球管节点马鞍形屋面结构天津博物馆拱脚铸钢节点双层网壳结构老山自行车馆铸钢相贯节点空间网壳结构上海浦东国际机场航站楼铸钢相贯节点波浪形的钢屋架
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU391

【参考文献】