受冲击FRP-钢管混凝土构件理论研究与数值仿真

发布时间：2017-04-18 19:04

  本文关键词：受冲击FRP-钢管混凝土构件理论研究与数值仿真，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着FRP-钢管混凝土(简称FRP-CFST)新型结构研究深入,相应如抗腐蚀、抗弯等结构性能的实验研究与理论分析均取得一定的成果,而针对此类结构横向冲击荷载作用时动力响应分析,无论在试验、理论与数值模拟均相对较少,无法满足FRP-CFST结构受冲击损伤和破坏预测与维护要求。针对上述情况,本文选取FRP-CFST两端简支梁受横向冲击模型作为分析对象,侧重从理论分析与数值模拟方向展开讨论。理论方面,结合梁振动理论与Hertz理论,采用Lagrange方程求解冲击荷载作用下简支梁动力响应,其间引入球与圆柱接触应力与变形关系解决非线性Hertz接触算法定量化问题,进而针对不同接触算法及假定,侧重对线性接触、考虑惯性力作用与否三类情况,并从弹性、塑性两阶段对FRP-CFST简支梁计算,采用MATLAB求解参数指标如冲击力峰值、整体挠度、局部压痕等结果对比分析,研究了FRP对受冲击构件整体刚度与局部刚度的影响。数值模拟方面,采用大型ABAQUS有限元软件,针对已有钢管混凝土(简称CFST)以及FRP-CFST侧向冲击试验进行模拟,并在确保模型建立的正确性前提下,选取理论采用模型模拟对比以及进行相应参数化延拓模拟分析。理论与模拟结果对比表明,不同接触算法及考虑惯性力与否对不同构件吻合程度并不一致；而对已同种类型构件,采用考虑惯性力作用的非线性接触算法与数值模拟结果最为接近。数值模拟结果表明,FRP层不仅能改善横向冲击下构件整体性能,通过能量吸收更能改善局部抗冲击性能,起到良好的缓冲作用。由于理论分析及数值模拟均在一定假设前提下展开,而与实际有偏差,需进一步完善,文中亦给出考虑材料阻尼与刚度折减问题的计算方法,其正确性则需进一步大量试验与数值模拟辅证。
【关键词】：FRP-钢管混凝土 侧向冲击 理论分析 数值模拟
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU398.9
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 FRP-钢管混凝土特点与应用11-12
• 1.2 选题背景与意义12-13
• 1.3 国内外研究现状13-18
• 1.3.1 冲击问题研究方法13-15
• 1.3.2 冲击模型的建立15-18
• 1.4 CFST及FRP-CFST研究现状18-22
• 1.4.1 钢管混凝土结构18-20
• 1.4.2 FRP-钢管混凝土结构20-22
• 1.5 本文研究内容22-25
• 1.5.1 理论分析23
• 1.5.2 数值仿真23-24
• 1.5.3 理论分析与仿真结果对比24-25
• 第2章 简支梁受横向冲击理论分析25-37
• 2.1 弹性简支梁受横向冲击理论分析25-33
• 2.1.1 简支梁振型25-27
• 2.1.2 线性接触准则横向冲击理论27-28
• 2.1.3 非线性接触准则横向冲击理论28-33
• 2.2 塑性简支梁受横向冲击理论分析33-37
• 2.2.1 不同接触准则下塑性铰理论33-35
• 2.2.2 最终挠度35-37
• 第3章 FRP-钢管混凝土简支构件横向冲击理论分析37-49
• 3.1 弹性阶段线性接触FRP-CFST理论分析37-41
• 3.1.1 含CFRP铺层CFST构件37-40
• 3.1.2 含CFRP铺层CFRP-CFST构件40-41
• 3.2 非线性接触条件下FRP-CFST横向冲击理论分析41-44
• 3.2.1 含CFRP铺层CFST构件41-43
• 3.2.2 含CFRP铺层CFRP-CFST构件43-44
• 3.3 塑性阶段FRP-CFST构件理论分析44-49
• 3.3.1 FRP-CFST构件截面极限弯矩简化推导44-46
• 3.3.2 FRP-CFST构件截面极限弯矩计算分析46-49
• 第4章 数值仿真分析49-87
• 4.1 数值建模概况49
• 4.2 材料模型49-57
• 4.2.1 钢材料属性49-51
• 4.2.2 混凝土材料属性51-53
• 4.2.3 纤维增强复合材料53-57
• 4.3 有限元模型建立57-58
• 4.3.1 相互作用(Interation)57
• 4.3.2 载荷定义(Load)57
• 4.3.3 网格划分(Mesh)57-58
• 4.3.4 分析计算(Job)58
• 4.3.5 后处理(ABAQUS/Viewer)58
• 4.4 钢管混凝土数值模拟58-70
• 4.4.1 试验简介58-59
• 4.4.2 试验模拟59-61
• 4.4.3 数值模拟与试验结果对比61-70
• 4.5 FRP-钢管混凝土试件横向冲击试验模拟70-78
• 4.5.1 试验简介70-72
• 4.5.2 试验模拟72-74
• 4.5.3 数值模拟与试验结果对比74-78
• 4.6 数值模拟延拓分析78-87
• 4.6.1 不含垫块FRP钢管混凝土模拟分析79-83
• 4.6.2 含垫块FRP钢管混凝土模拟分析83-85
• 4.6.3 垫层与FRP包裹层对试件抗冲击性能的影响分析85-87
• 第5章 理论与模拟结果对比验证87-104
• 5.1 弹性阶段线性接触横向冲击理论验证87-90
• 5.1.1 含CFRP铺层CFST构件理论验证87-88
• 5.1.2 含CFRP铺层CFRP-CFST构件理论验证88-90
• 5.2 弹性阶段非线性接触横向冲击理论验证90-96
• 5.2.1 含CFRP铺层CFST构件理论验证90-93
• 5.2.2 含CFRP铺层CFRP-CFST构件理论验证93-96
• 5.3 塑性阶段理论验证96-104
• 5.3.1 CFST相关理论验证96-98
• 5.3.2 FRP-CFST截面弯矩验证98-99
• 5.3.3 含CFRP垫块CFST构件塑性理论最大挠度验证99-101
• 5.3.4 含CFRP垫块CFRP-CFST构件塑性理论最大挠度验证101-104
• 第6章 结论与展望104-107
• 6.1 结论104-106
• 6.2 展望106-107
• 参考文献107-115
• 附录1 接触公式系数表115-116
• 附录2 四阶RUNGE-KUTTA法MATLAB函数句柄116-119
• 致谢119

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