搜索膜結(jié)構(gòu)的載荷分析
2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
關鍵字: ANSYS 膜結(jié)構(gòu) 膜材料 載荷
對膜特別是張拉膜結(jié)構(gòu)而言,載荷靜力分析考慮的主要是靜風載、雪載、膜材自重等等。非線性有限單元法不僅適用于初始形態(tài)分析,而且也適用于靜力分析。膜結(jié)構(gòu)在載荷作用下變形是較大的,因此,常用的小變形理論不適用于膜結(jié)構(gòu)分析,分析中必須考慮非線性因素,有時是強非線性,包括材料非線性和幾何非線性。但是在實際結(jié)構(gòu)中,膜中應力變化范圍不是很寬,應力低于材料的彈性極限應力,所以可以認為應力應變關系仍處于線性階段,材料的非線性可以不加以考慮。這樣做可以將實際問題得到很大的簡化,并且計算結(jié)果與實際結(jié)果相差也不大。
膜結(jié)構(gòu)的有限元分析與其他結(jié)構(gòu)的有限元分析的區(qū)別如下:
1)由于膜材的高度非線性,采用稠密網(wǎng)格劃分的低精度單元比采用稀疏網(wǎng)格劃分的高階單元具有更高的精度;
2)結(jié)構(gòu)具有特定的非線性方程組迭代收斂條件和判斷準則,并要對松弛和褶皺區(qū)進行判斷和處理。單元松弛和褶皺可通過主應力值進行判斷:設單元的主應力 在載荷分析中,平衡方程不再是線性的了。在載荷分析中若發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形過大,出現(xiàn)受拉單元或單元應力超過極限,則說明結(jié)構(gòu)的剛度和強度不夠,應該采用增加諸如初始預應力的措施來增加結(jié)構(gòu)剛度,或采用強度更大或更厚的膜材,然后從初始形態(tài)確定開始,對結(jié)構(gòu)重新進行修正。
對于膜結(jié)構(gòu)的分離模型和整體模型,已有資料表明:
1)考慮整體模型時,由于下部鋼結(jié)構(gòu)變形會造成膜結(jié)構(gòu)張力剛度下降,因此對找形會產(chǎn)生很大的影響。分離模型對支撐鋼結(jié)構(gòu)的設計偏重于安全,但是高估了膜的初始應力水平,膜實際張拉成型后很有可能難以達到設計時的應力狀態(tài)。
2)兩種計算模型的力學響應變化規(guī)律相似,但是數(shù)值差異較大,特別是整體剛度較低的張拉膜結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不可忽略的差別。
3)由于整體模型在相同的初張力作用下,結(jié)構(gòu)剛度下降,其自振頻率整體呈下降趨勢,但是變化不是太大。
下面對膜結(jié)構(gòu)載荷理論做一個簡要的說明。
薄膜結(jié)構(gòu)力學分析采用的是與一般剛性結(jié)構(gòu)力學分析相同的步驟進行的。所不同是必須考慮幾何非線性的影響,參考一般非線性有限元理論可得:
上式中:
為線性剛度矩陣;
為非線性剛度矩陣;
為節(jié)點不平衡力;
風雪載荷都轉(zhuǎn)換為單元等效節(jié)點載荷。由于膜和索只能受拉,不能受壓。這樣如果在計算中,膜內(nèi)出現(xiàn)壓應力,則會產(chǎn)生褶皺;如果索內(nèi)產(chǎn)生壓應力,便會松弛。我們可以根據(jù)膜單元內(nèi)的主應力來判斷是否會出現(xiàn)褶皺,而根據(jù)索內(nèi)的軸向力來判斷是否會出現(xiàn)松弛。
用ANSYS進行分析時,會由于膜結(jié)構(gòu)的高度非線性特征帶來極不容易收斂的問題,下面對膜結(jié)構(gòu)整體模型分析加強收斂提幾條建議:
1)求解方法。本質(zhì)上說,只要結(jié)構(gòu)本身是穩(wěn)定體系,無論是變剛度迭代求解,或是常剛度迭代法,其結(jié)果均是唯一的,差別通常只是體現(xiàn)在數(shù)值求解誤差上;
2)載荷步劃分的問題。由于唯一提升是一步完成的,所以,劃分合理的載荷子步數(shù)將緩解非線性程度。過多的子步數(shù)會造成數(shù)值累計誤差增大,求解效率降低,過少的子步數(shù)對非線性收斂不利。通常將載荷劃分為15~30個子步數(shù),求解精度和求解效率都可以得到很好的保證。
3)收斂準則問題。非線性計算常用的收斂準則有位移收斂準則和力收斂準則。其中位移收斂準則要求第i此迭代產(chǎn)生的位移增量
和總位移精確值
之比在一定精度內(nèi),即:
式中
表示矢量的二范數(shù),作為精度判斷的基數(shù),即要求:
相應的力收斂準則為:
在張力結(jié)構(gòu)計算中,通常采用力收斂準則就可以保證結(jié)果的收斂精度,當然也可以采用位移收斂準則,或者混合收斂準則。力收斂準則的控制精度在2%~5%之間即可。支座提升法,倘若收斂困難,控制精度可以取到5%。當力收斂準則失效時,往往是由于求解過程中數(shù)值穩(wěn)定性問題,而非結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成的,這個時候換用位移收斂準則是個不錯的選擇。由于位移收斂準則存在假收斂問題,因此對求解結(jié)果的判定非常重要。這個問題有兩種比較有效的解決方法:將位移收斂初始容差設定在1%以下,在保證收斂的條件下,將收斂容差逐步降低,經(jīng)過多次運算,直到相鄰誤差趨于平穩(wěn)即可;優(yōu)先采用二范數(shù)收斂準則,必要時可采用無窮數(shù)收斂準則。
下面進行膜結(jié)構(gòu)的載荷加載。初始模型見文章“用ANSYS解決膜結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)問題”。經(jīng)過多次自平衡迭代,找到最小平衡曲面后,進行膜面加載。膜表面受風壓大小為500Pa,下面將壓力轉(zhuǎn)換為等效節(jié)點力。膜面節(jié)點力計算公式為 , 為膜面壓力, 為膜面空間體積, 為膜面節(jié)點總數(shù),經(jīng)過相應計算,膜面各節(jié)點所受力 ,圖1是加載后的模型(同時施加了膜和索的重力)。
圖1
圖2
圖3
圖4
圖5
圖2顯示的是膜中Von Mises應力分布圖。從圖中可以看出,膜結(jié)構(gòu)在此風載作用下,中心位移最大,為0.07077m。圖3和圖4分別顯示的是第一主應力和第二主應力,通過觀察第一和第二主應力,就可以確定膜面是否發(fā)生褶皺,膜面最小第二主應力為3113Pa,大于0。因此,可以認為在此風載作用下,膜面不會發(fā)生褶皺。圖5顯示的是索中的軸向應力,可以看出軸向最小拉應力為1.28e8,遠大于0,可以作出結(jié)論:索處于受拉狀態(tài),所以不會出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。
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