钢梁—柱落锤冲击实验及数值模拟分析

发布时间：2017-07-21 04:08

  本文关键词：钢梁—柱落锤冲击实验及数值模拟分析

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【摘要】：近些年,钢结构的优点得到了广泛认可,在土木工程界的应用也越来越多,这在一定程度上促进了相关设计理论、学术研究的不断发展,其抗爆、抗冲击研究更是成为热点。在设计使用年限内,除常规设计荷载外,钢结构往往还遭受到意外的爆炸、撞击等偶然荷载,因此必须使其具有相应抵抗能力。钢梁、柱等作为主要承重构件,受到撞击时的动力响应是首先需要解决的问题,并且可以为进一步设计计算提供基础。本文对工字型截面梁-柱构件受落锤撞击作用时的动力响应进行研究分析,主要包括落锤冲击实验、有限元模拟及等效单自由度模型应用。落锤冲击实验中采用圆柱型螺旋压缩弹簧施加轴力,采用高速摄像机记录构件变形过程,利用动态信号采集系统采集应变等数据。实验研究表明：两端简支工字型梁-柱构件在受到中点横向撞击作用时不仅会发生平面内的弯曲变形,还会出现平面外的弯扭变形,且腹板局部屈曲是弯扭变形的诱因；总体来说弯曲变形及弯扭变形会随着轴力、撞击速度的增大而增大,但一定范围内的轴力、撞击速度会减小弯扭变形；构件轴力变化与轴向变形及弹簧刚度有关,采用刚度较小的压缩弹簧施加轴向荷载是可行的。利用通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对实验结果做了有限元模拟,通过变形过程、最终位移及应变数据的比较,发现二者具有较好的相符性,说明利用有限元数值模拟的方法研究平面外弯扭屈曲是可行的。以此为基础,进一步分析接触面摩擦力、轴力、落锤质量、撞击速度、边界约束条件等对弯扭变形的影响；并借助有限元模拟验证单自由度模型数值计算的正确性。利用有限元软件可以对受撞击作用构件的动力响应进行精确研究分析,但其操作过程复杂,理论要求较高,而利用动力学中常用的单自由度模型求解动力响应正好与此相反。本文利用极限荷载理论判断超静定构件塑性铰的形成顺序,进而根据材料力学方法得出各阶段变形曲线,结合哈密顿原理等动力学方法推导得出两端带转动约束梁-柱构件的运动微分方程及其系数表达式。采用线加速度法进行运动方程数值计算,为了合理地考虑应变率效应,本文按照塑性铰定长分布假定,根据塑性铰转过的角度计算塑性应变及应变率,最终将单自由度模型结果与有限元模拟结果进行比较,验证梁-柱构件等效单自由度模型及本文所提方法的适用性。
【关键词】：钢梁-柱 冲击实验 弯扭屈曲 有限元 单自由度 转动约束
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU391
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 研究现状11-14
• 1.2.1 静力状态下钢梁的弯扭屈曲研究11-13
• 1.2.2 火灾情况下钢梁的弯扭屈曲研究13
• 1.2.3 冲击荷载下钢梁的动力屈曲研究13-14
• 1.2.4 等效单自由度模型应用研究14
• 1.3 本文研究内容14-16
• 第2章 动力屈曲及单自由度模型基本理论16-23
• 2.1 引言16
• 2.2 钢材的动态力学性能16-17
• 2.3 动力屈曲概念及判定准则17-18
• 2.4 等效单自由度模型相关理论18-22
• 2.4.1 单自由度模型运动微分方程的推导18-19
• 2.4.2 极限荷载基本理论19-20
• 2.4.3 线加速度法20-22
• 2.5 小结22-23
• 第3章 冲击作用下梁-柱动力响应的实验分析23-30
• 3.1 实验介绍23-27
• 3.1.1 试件设计23
• 3.1.2 实验装置23-26
• 3.1.3 钢材力学性能26-27
• 3.2 实验结果分析27-28
• 3.2.1 变形测量27
• 3.2.2 压缩弹簧轴力变化27-28
• 3.2.3 构件变形形式28
• 3.3 小结28-30
• 第4章 冲击作用下梁-柱动力响应的有限元模拟30-41
• 4.1 ANSYS/LS-DYNA程序介绍30-31
• 4.2 ANSYS/LS-DYNA程序求解步骤31-32
• 4.3 ANSYS/LS-DYNA算法简介32
• 4.4 有限元模型32-35
• 4.4.1 单元类型32
• 4.4.2 材料模型32-33
• 4.4.3 荷载、边界约束和接触定义33-34
• 4.4.4 网格划分34-35
• 4.5 有限元结果与实验结果对比35-38
• 4.5.1. 变形过程比较35-36
• 4.5.2 中点竖向位移及侧向位移比较36
• 4.5.3 应变比较36-38
• 4.6 有限元模拟参数分析38-40
• 4.6.1 摩擦力对梁-柱动力响应的影响38
• 4.6.2 轴力对梁-柱动力响应的影响38-39
• 4.6.3 撞击速度对梁-柱动力响应的影响39
• 4.6.4 不同质量-速度组合对梁-柱动力响应的影响39
• 4.6.5 横向加劲肋对梁-柱动力响应的影响39-40
• 4.7 小结40-41
• 第5章 梁-柱等效单自由度模型数值计算41-62
• 5.1 梁-柱体系等效单自由度(SDOF)模型运动微分方程的推导41-52
• 5.1.1 弹性变形阶段运动方程及各系数41-43
• 5.1.2 弹塑性变形阶段运动方程及各系数43-47
• 5.1.3 塑性变形阶段运动方程及各系数47-52
• 5.2 运动微分方程的求解52-61
• 5.2.1 求解实例54-61
• 5.3 小结61-62
• 第6章 结论与展望62-64
• 6.1 结论62-63
• 6.2 展望63-64
• 附录：程序编辑介绍64-72
• 参考文献72-75
• 后记75-76
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 秦庆华,路国运,雷建平,张善元;薄壁圆管侧向冲击动力响应的仿真分析[J];太原理工大学学报;2003年05期

2 肖诗云,林皋,王哲;Drucker-Prager材料一致率型本构模型[J];工程力学;2003年04期

3 郭海山,沈世钊;单层网壳结构动力稳定性分析方法[J];建筑结构学报;2003年03期

4 杜成斌,苏擎柱;混凝土材料动力本构模型研究进展[J];世界地震工程;2002年02期

5 王礼立;爆炸与冲击载荷下结构和材料动态响应研究的新进展[J];爆炸与冲击;2001年02期

6 王哲,林皋,逯静洲;混凝土的单轴率型本构模型[J];大连理工大学学报;2000年05期

7 李忠学,沈祖炎,邓长根;杆系钢结构非线性动力稳定性识别与判定准则[J];同济大学学报(自然科学版);2000年02期

8 陈书宇;一种混凝土损伤模型和数值方法[J];爆炸与冲击;1998年04期

9 方秦，钱七虎;速率相关混凝土模型中一个值得商榷的问题[J];工程力学;1998年03期

10 夏志斌;钢梁侧扭屈曲的理论、试验研究及其验算方法 (上)[J];工业建筑;1983年01期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 王蕊;钢管混凝土结构构件在侧向撞击下动力响应及其损伤破坏的研究[D];太原理工大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 张文娜;冲击作用下钢梁侧向弯扭屈曲行为的数值模拟分析[D];山东建筑大学;2013年

2 张云;受冲击钢梁的响应与弯扭屈曲行为实验研究[D];山东建筑大学;2012年

3 唐柱才;冲击载荷下结构动态屈曲的数值研究[D];大连理工大学;2004年

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本文编号：571334