基于OpenSees的钢结构高等分析二次开发

发布时间：2017-07-28 19:31

  本文关键词：基于OpenSees的钢结构高等分析二次开发

  更多相关文章： 高等分析 钢结构 OpenSees 塑性铰法 梁柱单元

【摘要】：传统的钢结构设计方法包含两个阶段,即两阶段设计。第一阶段:通过线弹性分析计算结构的内力;第二阶段:将第一阶段计算的内力用极限状态理论相关方程进行截面验算。传统的设计方法存在着很大的缺陷,忽视了单独构件和整体结构之间的协调性,而高等分析方法是通过一次精确的非线性分析,完备地描述结构与构件强度和稳定性,同时考虑了几何材料非线性及其他因素的影响,从而避免了对各个构件的强度进行验算,它弥补了传统设计方法的不足。因此高等分析设计方法更能真实的反映结构的实际受力状态。论文对桁架结构和钢框架结构在应用高等分析方法时需考虑多种因素的单元展开了研究,并基于OpenSees进行了实现,为应用OpenSees对结构进行高等分析提供了可能。取得的主要研究成果如下:(1)基于更新的拉格朗日增量理论,利用虚位移原理详细推导了高阶非线性桁架单元刚度矩阵。并在通用有限元程序OpenSees平台上开发了高阶非线性桁架单元,通过几个数值算例验证,所开发的桁架单元在进行桁架非线性分析时具有很高的效率和精度。(2)为了更好考虑桁架结构在循环荷载或者地震作用下的后屈曲行为,本文基于OpenSees平台开发了EPB和IEPB材料本构模型。该本构模型能够考虑受压临界应力以及加载应变历史等。并通过几个数值算例说明了不考虑后屈曲往往会过高地估计结构的承载能力,同时验证了本文所开发的材料本构具有很高的计算精度,能很好的考虑桁架的后屈曲行为。(3)基于梁柱理论,开发了考虑剪切变形的几何非线性梁柱单元。在OpenSees的单元库中增加了考虑剪切变形的几何非线性梁柱单元,并用该单元和OpenSees的基于柔度的非线性梁柱单元对几个数值算例进行了对比分析,分析结果表明:本文开发的几何非线性梁柱单元具有更高的效率和计算精度。(4)基于梁柱理论,在考虑剪切变形的几何非线性梁柱单元的基础上,考虑了材料非线性,并考虑了残余应力、弯曲引起的刚度退化,开发了同时考虑几何材料非线性的精细塑性铰梁柱单元。通过几个数值算例分析表明,用每根构件一个本文单元即可达到很高的计算效率和精度。
【关键词】：高等分析 钢结构 OpenSees 塑性铰法 梁柱单元
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU391
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 1 绪论11-25
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 影响钢结构高等分析的主要因素12-16
• 1.2.1 几何非线性12-13
• 1.2.2 材料非线性13-15
• 1.2.3 初始几何缺陷15
• 1.2.4 残余应力15-16
• 1.3 研究和应用现状及不足16-22
• 1.3.1 空间桁架高等分析研究16
• 1.3.2 空间钢框架高等分析研究16-22
• 1.4 论文的研究目标和总体思路22-25
• 1.4.1 研究目标22
• 1.4.2 总体思路22-25
• 2 高阶非线性空间桁架单元25-43
• 2.1 本章概述25
• 2.2 空间非线性桁架单元刚度矩阵25-30
• 2.2.1 空间桁架非线性方程25-28
• 2.2.2 高阶非线性桁架单元刚度矩阵28-30
• 2.3 高阶非线性桁架单元的开发与应用30-34
• 2.3.1 高阶非线性桁架单元的开发30
• 2.3.2 TCL调用nonlinearTruss3D单元流程30-32
• 2.3.3 非线性分析算法32-34
• 2.4 数值算例34-42
• 2.4.1 铰接二力杆桁架静力分析34
• 2.4.2 六角星桁架静力分析34-37
• 2.4.3 测地圆顶桁架静力分析37-39
• 2.4.4 悬挂桁架动力分析39-40
• 2.4.5 空间桁架动力分析40-42
• 2.5 本章小结42-43
• 3 空间桁架后屈曲材料本构模型43-54
• 3.1 本章概述43
• 3.2 考虑后屈曲的材料本构模型43-46
• 3.2.1 弹性后屈曲本构模型43-44
• 3.2.2 非弹性后屈曲本构模型44-46
• 3.3 基于OpenSees本构模型的实现46-49
• 3.3.1 OpenSees程序开发46
• 3.3.2 程序实现方法46-49
• 3.4 数值算例49-52
• 3.4.1 六角星桁架49-51
• 3.4.2 测地圆顶桁架51-52
• 3.5 本章小结52-54
• 4 基于梁柱理论的弹性空间梁单元54-78
• 4.1 本章概述54
• 4.2 几何非线性空间梁柱单元54-66
• 4.2.1 考虑剪切影响的转角位移方程55-60
• 4.2.2 稳定函数级数的展开60-61
• 4.2.3 截面剪切系数61-62
• 4.2.4 空间梁单元的增量力变形关系62-64
• 4.2.5 空间梁柱单元刚度矩阵64-66
• 4.3 单元坐标转换矩阵66-67
• 4.3.1 单元坐标转换矩阵66
• 4.3.2 单元坐标转换矩阵在OpenSees中的实现66-67
• 4.4 OpenSees中单元程序的实现67-70
• 4.4.1 OpenSees现有梁柱单元程序框架67-68
• 4.4.2 几何非线性梁柱单元程序开发68-69
• 4.4.3 TCL调用ElasticBc3d单元的流程69-70
• 4.5 数值算例70-77
• 4.5.1 轴向受压悬臂柱70-72
• 4.5.2 悬挂框架72-75
• 4.5.3 六角星穹顶框架75-77
• 4.6 本章小结77-78
• 5 基于精细化塑性铰模型的梁柱单元78-100
• 5.1 本章概述78
• 5.2 精细塑性铰梁柱单元78-88
• 5.2.1 初始缺陷的考虑方法78-81
• 5.2.2 屈服面方程81-83
• 5.2.3 残余应力引起的刚度退化83-84
• 5.2.4 考虑弯曲引起的刚度退化84-86
• 5.2.5 梁柱单元弹塑性刚度矩阵86-88
• 5.3 OpenSees中单元程序的开发与应用88-90
• 5.3.1 精细塑性铰梁柱单元开发88-89
• 5.3.2 Tcl调用精细塑性铰梁柱单元流程89-90
• 5.4 数值算例90-99
• 5.4.1 一层一跨钢框架90-92
• 5.4.2 单跨单层空间框架92-94
• 5.4.3 六层空间框架94-96
• 5.4.4 二十层空间框架96-99
• 5.5 本章小结99-100
• 6 结论与展望100-102
• 6.1 论文的主要研究成果100-101
• 6.2 有待进一步研究的问题101-102
• 参考文献102-106
• 科研情况及在学期间发表的学术论文106-107
• 致谢107

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本文编号：585714