基于有限元技术的传统结构榫卯带缝工作的性能研究与分析

发布时间：2017-05-11 13:18

  本文关键词：基于有限元技术的传统结构榫卯带缝工作的性能研究与分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：木结构古建筑是中华民族悠久历史文化的载体,保护传承木结构古建筑是我辈义不容辞的责任。榫卯节点的研究是木结构研究的基础性工作。已有的研究成果中,并未关注到在实际现存的古代木结构中,榫卯节点处并非完全紧密相连,这点与已有研究的假设前提不符。究竟榫卯间缝隙的存在对结构造成的影响有多大,本文将研究古代材分制中的两种材等即三等材和七等材,研究其榫卯间带缝对结构的影响。本文利用有限元数值分析软件ABAQUS建立四个典型的单间一榀框架模型,包括两个试验模型即三等材、七等材柱额榫卯间带缝隙,两个对比模型即三等材、七等材柱额榫卯间无缝隙。缝隙的设置采取在两端榫头部位处的两个侧壁上,各切割1mm缝隙,柱额之间的榫卯节点类型选用抗拉拔能力较好的燕尾榫。通过选用合适的试验数据、设定合理的模型有限元分析参数,对模型施加水平低周往复荷载,提取出模型的后处理阶段结果。通过提取滞回曲线、骨架曲线、结构摩擦耗能能量曲线、变形云图、榫头和卯口的端部及侧面的缝隙量等后处理结果,得到带缝隙的榫卯结构的滞回曲线和骨架曲线的特点,并得出以下结论:摩擦耗能方面,带缝隙的榫卯结构摩擦耗能开始作用的时间晚,耗能量小;刚度方面,带缝隙的榫卯节点刚度退化程度大,初始刚度略小;运动过程方面,带缝隙的榫卯节点屈服平台低,更容易进入屈服、塑性阶段,承受的极限荷载小,屈服平台中最大反力出现的时间晚,但相比于紧密结合的榫卯结构,不容易脱榫。
【关键词】：结构工程 古建筑木结构 榫卯 数值模拟 缝隙
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU366.2
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 古建筑木结构榫卯9
• 1.2 榫卯节点研究现状9-15
• 1.2.1 榫卯节点的研究10-13
• 1.2.2 国外研究现状13
• 1.2.3 山西本土古建筑研究状况13-15
• 1.3 选题背景及本文研究内容15-19
• 1.3.1 选题背景——缝隙存在15-16
• 1.3.2 缝隙产生原因16-18
• 1.3.3 本文研究内容18-19
• 1.4 小结19-21
• 第二章 木材的物理力学性能21-33
• 2.1 木材材性问题21-25
• 2.1.1 不均质性21-22
• 2.1.2 各向强度异性22-24
• 2.1.3 各向弹性模量异性24-25
• 2.2 木材强度的影响因素25-27
• 2.2.1 含水率25
• 2.2.2 负荷时间25
• 2.2.3 木材老化25-27
• 2.2.4 温度27
• 2.2.5 木材疵病27
• 2.2.6 木材密度27
• 2.3 材料本构模型的选择27-30
• 2.3.1 木材的应力-应变曲线：27-28
• 2.3.2 木材经简化的弹塑性本构模型：28-30
• 2.3.3 本次数值模拟的材料模型30
• 2.4 摩擦问题30-31
• 2.5 本章小结31-33
• 第三章 使用有限元软件分析榫卯木构架33-53
• 3.1 模型的相关尺寸确立33-36
• 3.2 模型中柱顶附加荷载值的确定36-38
• 3.3 木材的材性试验38-41
• 3.3.1 试验加载及数据采集39
• 3.3.2 樟子松的材料力学性能39-41
• 3.4 有限元法思想41-42
• 3.5 有限元计算中的非线性问题42-45
• 3.5.1 接触的设置43-45
• 3.5.2 边界条件的设置45
• 3.6 加载方案45-46
• 3.7 模型采用的单元46-48
• 3.7.1 有限元中单元类型46-47
• 3.7.2 本结构单元选取47-48
• 3.8 模型网格划分48-50
• 3.8.1 网格划分技术48
• 3.8.2 网格划分问题48-49
• 3.8.3 模型为例研究网格划分49-50
• 3.9 程序不收敛时技术问题的处理：50-51
• 3.10 本章小结51-53
• 第四章 木构架性能分析结果53-75
• 4.1 概述53-56
• 4.1.1 直榫和燕尾榫53-54
• 4.1.2 古木建筑应对榫卯间缝隙的构造措施54-55
• 4.1.3 榫卯的工作机制55-56
• 4.2 模型后处理结果56-73
• 4.2.1 滞回曲线56-58
• 4.2.2 骨架曲线58-62
• 4.2.3 延性62-63
• 4.2.4 节点关键部位榫头、卯口的变形以及应力分析63-67
• 4.2.5 其余构件的变形67-68
• 4.2.6 摩擦耗能68-70
• 4.2.7 榫卯节点接触面的间隔值变化70-73
• 4.3 带缝隙的与紧密结合的榫卯结点结果对比与原因分析73-74
• 4.4 本章小结74-75
• 第五章 结论与展望75-77
• 5.1 本文结论75-76
• 5.2 展望76-77
• 参考文献77-81
• 致谢81-83
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文83

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本文编号：357360