结构虚拟试验平台开发及混凝土框架结构倒塌过程模拟研究

发布时间：2017-09-19 18:17

  本文关键词：结构虚拟试验平台开发及混凝土框架结构倒塌过程模拟研究

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【摘要】：试验教学在高等理工科院校的教学中起着举足轻重的作用,试验室的发展水平是衡量一所高校教学水平和科研水平的重要尺标。然而,现实的试验教学出现的问题是试验设备数量的限制、试验经费的短缺已无法满足日益增长的学生数量的教学试验和实践训练需求,两者之间的矛盾越来越激烈。本文开发的虚拟试验平台对缓解这一矛盾和解决试验教学中存在的实践训练缺乏问题具有重要的实践应用价值。本文主要内容可以分成以下两大部分：第一部分是关于结构虚拟试验平台的开发及系统设计；第二部分是对混凝土框架结构倒塌过程进行模拟研究。然后将两部分结合起来,将框架结构倒塌应用在虚拟试验平台之中。本文所做的具体工作和研究成果包括以下几个方面：1.基于图形化编程语言LabVIEW开发了虚拟试验平台,给出了虚拟试验平台的整体开发思路及系统建设框架。同时利用ANSYS软件对混凝土立方体抗压试验进行模拟,找到适用于混凝土模拟的单元类型及材料模型,在此基础上设计了混凝土立方体虚拟试验模块。2.利用有限元软件LS-DYNA建立具有代表性的规则钢筋混凝土异形柱框架结构,然后按照地震波的选取原则选取了三条地震波对结构进行输入分析,研究不同地震动强度、不同层数和不同层高等不同因素对结构倒塌过程的影响。计算结果表明：不同因素对结构倒塌的影响不同,但共同特点是大部分结构倒塌是因为底部两层破坏引起。3.选择合理的等效原则将异形柱截面等效为矩形柱截面,建立两种截面形式的空间框架模型,并保持其他参数不变,利用L S-DYNA软件对结构进行分析。然后从结构层间位移角、各层侧移、结构基底剪力和结构的倒塌时间等方面对比两种结构的抗震抗倒塌性能。计算结果表明：两种结构形式都具有一定的抗倒塌能力,但矩形柱框架结构更加优于异形柱框架结构。4.将框架结构倒塌分析成果与虚拟试验平台相结合建立框架结构倒塌演示系统,完善虚拟试验平台的模块,丰富平台内容的多样性。
【关键词】：虚拟试验 平台 框架结构 异形柱 矩形柱 倒塌模拟
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU375.4;TU317
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 虚拟试验平台的研究现状11-13
• 1.2.1 国外研究现状11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.2.3 土木工程学科中的研究现状12-13
• 1.3 混凝土框架结构倒塌模拟及异形柱框架结构破坏的研究现状13-16
• 1.3.1 混凝土框架结构倒塌模拟研究现状13-14
• 1.3.2 异形柱结构体系及抗倒塌性能研究现状14-16
• 1.4 本文的研究内容16-18
• 第二章 虚拟试验平台的设计与开发18-34
• 2.1 虚拟试验平台概述18-19
• 2.1.1 虚拟试验和虚拟试验平台18
• 2.1.2 虚拟试验平台的开发环境18-19
• 2.2 虚拟试验平台的整体架构19-23
• 2.2.1 虚拟试验平台的功能需求19-20
• 2.2.2 虚拟试验平台的模块设计20-22
• 2.2.3 虚拟试验平台的用户使用流程22-23
• 2.3 结构虚拟试验课程的教学要求23-25
• 2.3.1 本科生试验教学23-24
• 2.3.2 研究生试验教学24-25
• 2.4 混凝土立方体抗压试验模块开发25-33
• 2.4.1 混凝土立方体抗压试验有限元模拟25-27
• 2.4.2 混凝土立方体试验模块设计27-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第三章 结构倒塌分析软件及材料模型选取34-44
• 3.1 引言34
• 3.2 LS-DYNA显式动力分析方法34-37
• 3.2.1 LS-DYNA显式分析的中心差分原理34-36
• 3.2.2 LS-DYNA的建模方式及接触算法36-37
• 3.3 材料模型选取及失效准则37-42
• 3.3.1 混凝土材料的本构模型37-40
• 3.3.2 钢筋材料的本构模型40-41
• 3.3.3 刚性地面材料的本构模型41
• 3.3.4 材料的失效准则41-42
• 3.4 结构阻尼的选取42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第四章 混凝土异形柱框架结构地震倒塌过程分析44-68
• 4.1 异形柱框架结构模型基本信息44-48
• 4.1.1 异形柱框架结构设计44-46
• 4.1.2 地震波的选取与输入46-48
• 4.2 地震动强度对异形柱框架结构倒塌的影响48-57
• 4.2.1 异形柱框架倒塌过程及机理分析48-52
• 4.2.2 异形柱框架位移响应分析52-55
• 4.2.3 异形柱框架能量分析55-57
• 4.3 层数对异形柱框架结构倒塌的影响57-62
• 4.3.1 异形柱框架倒塌过程及机理分析57-60
• 4.3.2 异形柱框架倒塌时间对比分析60-61
• 4.3.3 异形柱框架层间位移响应分析61-62
• 4.4 层高对异形柱框架结构倒塌的影响62-67
• 4.4.1 异形柱框架倒塌过程及机理分析62-64
• 4.4.2 异形柱框架倒塌时间对比分析64-65
• 4.4.3 异形柱框架层间位移响应分析65-67
• 4.5 本章小结67-68
• 第五章 异形柱框架与矩形柱框架倒塌过程对比68-80
• 5.1 异形柱的等效原则与方法68-70
• 5.2 矩形柱框架模型基本信息70-71
• 5.3 矩形柱框架倒塌过程及机理分析71-73
• 5.4 矩形柱框架与异形柱框架性能对比73-78
• 5.4.1 结构层间位移角、各层侧移对比73-75
• 5.4.2 结构基底剪力对比75-77
• 5.4.3 结构倒塌时间对比77-78
• 5.5 结构抗倒塌措施与设计策略78-79
• 5.6 本章小结79-80
• 第六章 框架倒塌在虚拟试验平台中的应用80-88
• 6.1 引言80
• 6.2 框架倒塌演示系统建立80-86
• 6.2.1 框架倒塌演示系统主界面设计80-81
• 6.2.2 各倒塌子模块演示系统设计81-86
• 6.3 本章小结86-88
• 第七章 总结与展望88-91
• 7.1 本文主要工作和结论88-89
• 7.2 有待进一步研究的问题89-91
• 参考文献91-95
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文95-96
• 致谢96

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本文编号：883175