压电桁架结构的稳定性及有限元分析方法

从力的平衡方程出发，考虑机电耦合效应，推导了含压电材料的桁架结构稳定性有限元方程。通过数值算例分析表明，机电耦合效应对桁架结构的稳定性影响较在，而电压对结构稳定性的影响相对较小，压电杆的优化布置能够有效地提高结构稳定性。     

钢管混凝土圆弧桁架拱平面内徐变稳定分析

核心混凝土的徐变会增加钢管混凝土拱肋的屈曲前变形,降低结构的稳定承载力,因此只有计入屈曲前变形的影响,才能准确得到钢管混凝土拱的徐变稳定承载力。基于圆弧形浅拱的非线性屈曲理论,采用虚功原理,建立了考虑徐变和剪切变形双重效应的管混凝土圆弧桁架拱的平面内非线性平衡方程,求得两铰和无铰桁架拱发生反对称分岔屈曲和对称跳跃屈曲的徐变稳定临界荷载。探讨了钢管混凝土桁架拱核心混凝土徐变随修正长细比、圆心角和加载龄期对该类结构弹性稳定承载力的影响,为钢管混凝土桁架拱长期设计提供理论依据。     

环形桁架结构径向振动的等效圆环模型

在大型环形网架式可展天线中,环形桁架结构的动力学性能对于整个天线的工作状态至关重要.针对大型空间桁架结构,基于连续体等效的思想,将其动力学模型简化为简单的弹性连续体模型一直是动力学研究的热点.将环形桁架结构看作由重复的平面桁架单元构成的环形周期结构,在周期桁架单元等效梁模型的基础上,提出采用不计剪切变形和转动惯量的等效圆环模型分析环形桁架结构的径向振动,并对等效圆环模型的偏微分运动方程进行了解析求解.首先通过变量代换将描述圆环径向振动的四阶偏微分方程组降阶为一阶偏微分方程组,然后通过对降阶后的偏微分方程组进行Laplace变换将其转化为常微分方程组,并采用微分方程组的Green函数解法,获得了等效圆环模型在复频域下动力响应的解析表达式,进而得到等效圆环模型固有振动的特征方程及传递函数的表达式.最后通过数值算例对环形桁架有限元模型与等效圆环模型的固有频率和振型以及传递函数进行了对比分析,验证了等效圆环模型用于环形桁架结构径向振动分析的可行性.     

构件失效后钢筋混凝土框架结构倒塌响应特性分析

利用OpenSees有限元软件,将抽柱法与有限元法相结合;并假定构件的局部失效位置,通过引入不同的结构参数,如结构的层数、层高、跨度等,分析了其对结构倒塌响应的影响;研究了结构在静力Pushdown分析和动力非线性分析条件下的结构倒塌响应特性。结果表明:柱失效位置对结构的静力Pushdown分析和动力非线性分析结果有较大影响,其中边柱的失效导致结构的抗倒塌能力明显降低,并在地震作用下随着失效点位移加大,振动规律也趋于不稳定;结构的极限承载力随着框架结构层数的增加而增加,极限位移和延性则随着层数的增加而降低,动力加载条件下结构失效位置的竖向位移随着层数的增加而增大;随着层高的增加,结构的极限承载力则逐渐降低,但对结构极限位移和延性的影响并不明显;跨度的增加使结构的极限承载力明显下降,延性略有降低,但极限位移和初始刚度却随之增加。以上规律性研究结果为钢筋混凝土框架结构的抗倒塌设计提供了必要的依据。     

智能桁架结构最速自抗扰振动控制研究

研究新型实用的非线性自抗扰控制技术,在大型空间智能桁架结构主动振动控制中的应用.自抗扰控制技术的主要特性是采用扩张状态观测器对系统建模、未建模动态和外扰进行实时估计,并在控制信号中补偿掉,实现非线性不确定对象的动态补偿线性化.首先,基于动态补偿线性化的思想,对多变量耦合的非线性智能桁架结构的数学模型进行解耦;然后,采用扩张状态观测器和离散最速控制综合函数提出了一种新颖的最速自抗扰振动控制器.最后,对空间102杆压电智能桁架结构进行了最速自抗扰振动控制仿真研究.结果表明:本文提出的最速自抗扰振动控制器较好地解决了振动控制的准确性和快速性之间的矛盾,可有效地用于大型空间智能桁架结构的主动振动控制.     

初始几何缺陷对网壳截面优化结果影响研究

单层网壳结构是缺陷敏感结构,初始几何缺陷不同对"网壳截面优化结果"有显著影响,该文研究了网壳杆件截面取值与缺陷分布、结构极限承载力之间的关系.结果表明:经截面优化设计的网壳结构最不利应力最早并且一直出现在初始几何缺陷较大处;优化寻优结果与初始几何缺陷分布有直接关系,增大缺陷较大处杆件截面能显著提高结构承载力;由于缺陷随机分布,经截面优化设计的网壳结构须校核其在不同缺陷下的稳定承载力以确保结构安全.     

环形桁架结构模态实验及有限元仿真分析

针对大型可展开环形桁架天线结构开展了模态实验和有限元仿真分析。首先设计加工了环形桁架实验模型,采用锤击法对自由边界条件下环形桁架结构进行了实验模态分析,得到环形桁架结构的前六阶固有频率及其对应模态振型,并通过模态置信准则对实验结果进行了可靠性分析。其次,建立了环形桁架实验模型的有限元模型并进行模态分析,仿真得到其前六阶固有频率和模态振型。最后详细对比分析了实验结果与有限元仿真结果。结果表明:二者固有频率误差小于5%,且实验模态振型与有限元仿真模态振型一致,证明了本文分析结果真实可靠;同时,分析得到了环形桁架结构第一、二阶振型为椭圆形,第三、四阶振型为三角形,第五、六阶振型为四边形。     

作动器参数对结构性能的影响和调整受力状态的实施策略模拟

基于规划法研究了作动器各参数对自适应超静定桁架性能的影响。该规划法能够使结构工作状态更合理化。这一方法能够改善自适应结构的工作状态因而提高承载能力。以此为基础，研究了具有作动器的组合杆的有关参数诸如变形上限、刚度和承载力上限对于控制效果的影响。从而为作动器的合理选择提供了理论根据。对于调整作动器变形以控制结构强度的实施策略进行了模拟和分析。该策略包括3部分：1．模拟和分析了“加载、调控、卸载”重复循环直至调控的完成；2．不同作动器按比例同时放大变形直到调控实现；3．多次加载、调控同一次加载、调控结构的等价性。研究表明本文提出的使结构工作状态合理化的调控过程是安全、可靠和灵活的。     

弹性结构的分岔点失稳和极值点失稳

以浅桁架为例, 介绍了弹性结构两类不同的失稳形态: 分岔点失稳和极值点失稳. 浅桁架失稳形态与斜杆的柔度λ和倾角α₀ 有关. 当α₀λ < 3^3/4π 时为极值点失稳, 发生突跳; 否则为分岔点型失稳.     

桁架结构几何大变形分析的精确方法

以往对桁架结构的大变形非线性分析,都是应用最小势能原理建立关于节点位移的非线性联立平衡方程,求解的工作量大,尤其对多自由度的大型复杂桁架更为突出.为了克服这个困难,本文采用两步交替迭代线性逐步逼近法,使平衡状态与变形状态协调统一,建立并求出变形后的平衡方程及其解.第一步,由已知杆件内力建立计算节点位移的连续方程并求解;第二步,由已知节点位移建立计算杆件内力的平衡方程并求解.通过多次迭代求得平衡状态与变形状态协调统一的非线性大变形分析的精确解.若干例题计算证明,本法是有效、精确的.尤其是对几何大变形桁架结构的优化设计,可将结构分析的迭代过程与优化过程相结合,省去了多次结构重分析的迭代过程,只在一次结构分析的迭代过程中即可完成优化设计,大大节省了时间.本法对扁桁架尤其有用.     

空间桁架结构等效连续体建模及固有特性分析

针对空间桁架天线的结构特点，基于能量等效原理分别建立了不带底板和带底板的空间桁架结构的等效梁连续体模型。将胞元横截面上任意点的位移用横截面中心处的位移分量线性表示，求得胞元的应变能和动能；基于能量等效原理利用哈密顿原理建立桁架天线结构的等效连续体动力学方程，求解得到等效连续体模型的固有频率和振型表达式；利用有限元方法对桁架结构进行仿真分析，并将仿真结果与等效连续体模型计算结果进行对比分析。结果表明，等效模型结果具有较好的精度，从而验证了等效连续体梁模型的正确性。研究结果可为大型空间可展桁架结构的动力学设计提供论支撑。     

随机桁架结构的非平稳随机动力响应分析

本文研究了随机桁架结构在非平稳随机激励下的动力响应问题。在利用随机因子法分析随机结构动力特性的基础上，给出了一种分析随机结构非平稳随机响应的新方法。从结构非平稳随机响应的表达式出发，同时考虑桁架结构的物理参数、几何尺寸的随机性，利用求解随机变量函数矩的方法和求解随机变量数字特征的代数综合法，导出了随机桁架结构在非平稳随机激励下位移响应均方值和应力响应均方值的均值、方差和变异系数的计算表达式。通过算例，分析了结构物理参数和几何尺寸的随机性对结构位移响应均方值和应力响应均方值随机变量随机性的影响。本文方法具有对随机结构进行一次动力分析便可求得动力响应的数字特征，且可以考察结构任一参数的随机性对结构非平稳随机响应分析结果的影响之优点。     

桁架结构稳定分析的几何非线性欧拉稳定理论

目前,桁架结构稳定分析有两个理论:经典的特征值理论和几何非线性临界点理论。前者发展较早,在许多结构力学书中都有叙述。但是经过工程应用检验,它过高地估计了结构抗稳定的能力。后者是20年前提出的,提出者认为适用于所有的扁桁架。经过几年的研究,作者连续提出三个稳定理论:线性与非线性欧拉理论;非线性临界点-欧拉理论和两个计算方法,进行桁架结构的线性和非线性截面优化设计。经过理论研究和对前人文献中数值例题的计算和比较,发现特征值理论不符合实际,临界点理论只适用于大扁度的桁架,而不适用于一切扁桁架。研究结果提供了若干有用的结论,给出了各种稳定理论的适用范围,指出了国际文献中若干例题的正确和错误,补充了桁架结构的稳定分析理论,使之更为完整和实用了。     

板片空间结构初始缺陷的动力稳定性影响分析

对板片空间结构体系的研究大都局限于静力载荷工况，结构在动力载荷作用下的稳定性及失效特征研究仍相对缺乏．板片空间钢结构先天存在各样缺陷，而缺陷对结构稳定性的影响不可忽略．本文引入拉丁超立方法，结合Budiansky-Roth 准则，提出适用于求解含初始缺陷结构动力临界荷载的方法，对板片空间结构初始缺陷的动力稳定性开展研究．研究表明，相比于其它抽样方法，拉丁超立方法能显著减少样本数，有效提高计算效率．针对典型的板片空间结构，施加不同方向的阶跃荷载，分析了节点位置偏差缺陷、杆件截面尺寸缺陷以及板片厚度缺陷对板片空间结构临界承载力的影响．结果显示，节点位置偏差缺陷对该结构临界承载力影响最为显著，其它两类缺陷影响甚微．     

车身结构中焊点布置的分区拓扑优化设计方法研究

焊点布置的设计对于车身结构的强度、刚度、NVH特性和耐撞性等都有重要影响。针对一种紧凑型两厢轿车,分别以车身结构的刚度和低频固有振动特性为设计目标,对车身结构中的焊点布置进行了优化设计。通过对优化设计结果的理论分析和工程评价,对相关的优化设计问题定义的有效性和优化设计方法的适用性进行了分析。基于相关分析结论和车身结构设计经验,提出了一种新的车身结构焊点布置的分区拓扑优化设计方法,通过将车身划分为多个功能设计区域,可以采用分级优化设计的方法综合考虑车身结构的刚度和动态特性、耐撞性以及强度等多方面的性能要求。通过对一个实际轿车车身结构中焊点布置的重新优化设计,验证了提出的优化设计方法的有效性,同时表明该车身的现有焊点布置方案已接近最优设计。     

二进制码实数码及非一致变异对结构遗传设计的影响

讨论了在遗传设计中，二进制码、实数码及非一致变异策略对桁架结构优化的影响。指出普通实数码在求解重量最轻的最优桁架结构时，最佳适应度与收敛速度比二进制码优越，但平均适应度相差不大。采用非一致变异策略后，最佳适应度与平均适应度比普通实数码和二进制码都要好。说明了对于带约束的桁架结构优化采用非一致变异策略实数编码方法更加有效、方便。     

基于弧长法的受压球壳稳定性分析

对受压球壳进行特征值屈曲分析,得到了前6阶屈曲模态及线性屈曲临界载荷;采用弧长法进行非线性有限元分析,对理想球壳施加初始扰动,通过2次扰动值折半的方法求得引起结构屈曲的最小扰动值,追踪到了屈曲分支点和全过程载荷-位移路线。基于前6阶屈曲模态位移,在受压球壳中分别引入2.5mm和1mm两种缺陷值,分析缺陷对球壳屈曲特性的影响。结果表明:取壳厚的0.5%即0.05mm时,得最小扰动值,近似模型与完善结构极值载荷的差值为0.93%;球壳是缺陷敏感性结构,缺陷的幅值和分布都对其极限载荷有影响,缺陷幅值与厚度比为0.1时,缺陷球壳承载力相对理想结构下降了约11%,缺陷幅值与厚度比为0.25时,承载力相对下降了约30%,说明提高球壳稳定性需要提高球壳加工精度。     

不同强度钢材螺栓连接承载性能试验研究

通过两组不同强度等级钢材螺栓连接接头的静力拉伸试验,分析了材料匹配性、螺栓布置方式和间距对混合接头承载性能的影响,并与规范理论值进行了对比,讨论了规范计算公式的适用性。研究表明:螺栓横向布置时,试件承载力随螺栓端距、边距、间距的增大而增大,ANSI规范拟合趋势比较接近,EC3规范偏保守;螺栓纵向布置时,连接的承载力仅随边距的增大线性增大,此时EC3规范拟合效果较好。基于理论分析与试验数据,给出了适用于不同强度钢材混合接头的连接构造建议。高强度钢材能显著增加钢材强度利用率,间接提高孔壁承压强度设计值,混合连接的承载力计算完全沿用普通钢材的设计方法,会导致计算值偏低。     

Q690高强钢螺栓抗剪连接承载性能试验研究

通过对22个Q690高强钢螺栓连接接头的静力拉伸试验,综合分析了其连接的破坏形态、受力性能和匹配性,讨论了关键参数对承载性能的影响。研究表明:螺栓横向布置时,承载力随螺栓端距、边距和间距的增大呈线性增长;螺栓纵向布置时,连接的承载力仅随边距增大而增大,螺栓端距和间距的影响不超过5%。螺栓孔径对承载力的影响主要体现在净截面面积上,螺栓强度等级会影响连接的初始滑移荷载,而对极限承载力影响较小,与Q690钢材匹配的高强钢螺栓建议取10.9级以上。EC3规范能较好地反映端距和边距的影响关系,但偏于保守,ANSI规范的拟合结果与试验值更接近。上述研究结果可为国产高强度钢材螺栓连接的设计理论和方法提供基础数据。     

含腐蚀缺陷的管道静力性能试验测试研究

为研究腐蚀缺陷对管道承载力的影响,本文分别进行了含腐蚀缺陷管道在轴压载荷、弯曲载荷以及轴压和弯曲复合载荷作用下的静力失效过程测试。通过不同载荷作用下管道的荷载-位移曲线以及荷载-应变曲线来分析管道的失效模式和失效机理;通过有限元分析结果与试验测试结果验证其准确性。结果表明:腐蚀缺陷使管道在三种不同荷载作用下的极限承载力均有所下降;针对文中所研究的管道及其腐蚀缺陷,在轴压载荷作用下管道承载力下降了18.4%,在弯曲载荷作用下管道承载力下降了20.96%,在轴压和弯曲复合载荷作用下管道承载力下降了13.3%;管道中腐蚀缺陷位置的管壁厚度减小,该位置应变发展迅速,首先进入塑性屈服状态,最终导致该腐蚀位置发生弹塑性屈曲失效。