球面薄壳和单层球面网壳的稳定承载力研究

摘要

球面薄壳和单层球面网壳结构广泛用于建筑及其它工程领域。这两类结构的极限承载力主要取决于稳定问题,然而其稳定承载力试验的平均值与经典屈曲理论的预测值有很大差异,如何可靠地预测其稳定承载力始终是工程技术领域中的一个难题。本文通过有限元分析和试验研究探讨其稳定承载力的预测问题。
　　首先利用ABAQUS对球面薄壳结构进行了有限元分析,考虑了结构的几何非线性以及初始几何缺陷的影响,发现在薄壳结构顶点的荷载-位移曲线中,存在一个近乎平直的后屈曲“平台”段,与之对应的荷载定义为后屈曲荷载。继而根据球壳失稳后的特点,由功能原理推得了径向均布荷载和竖向均布荷载作用下球面薄壳结构的后屈曲荷载计算式,并通过大量算例的有限元分析验证了计算式的正确性。之后通过大量参数分析,证明了计算式中的系数为常数并得出其近似值。最后通过对前人所做试验结果的分析验证了用后屈曲荷载表示球壳稳定承载力的合理性。
　　由于单层球面网壳结构和球面薄壳结构的整体受力性能相似,本文还对单层球面网壳结构进行了有限元分析,考虑了结构的几何非线性以及初始几何缺陷的影响,发现缺陷大小不同网壳的荷载-位移曲线也形成了一个近似水平的“平台”段或者曲线在第一个下降段交汇于同一点。因此,同样定义“平台”或“交汇点”对应的荷载为结构的后屈曲荷载也即稳定承载力。进而采用拟壳法,把单层球面网壳转化为与其等效的球面薄壳以预测其稳定承载力,并找到了一种等效方法,能把球面薄壳的后屈曲荷载计算式扩展用于网壳,以获得网壳的稳定承载力。
　　最后,本文设计、制作并完成了两批共4个三向网格单层球面网壳试验,试验所得的屈曲荷载与“平台”或“交汇点”对应的荷载接近,证明了基于后屈曲性能预测单层球面网壳稳定承载力的可行性。
　　总之,本文考虑了结构的几何非线性和初始几何缺陷的影响,对球面薄壳和单层球面网壳结构的稳定承载力进行了有限元分析和试验研究,并基于后屈曲性能,给出了预测球面薄壳和单层球面网壳结构稳定承载力的近似计算式,为这类结构的设计提供了有价值的参考。

目录

球面薄壳和单层球面网壳的稳定承载力研究

INVESTIGATION OF BUCKLING LOAD OF THIN SPHERICAL SHELLS AND SINGLE-LAYER RETICULATED SPHERICAL SHELLS

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容及意义

第2章 球面薄壳稳定性能的有限元分析

2.1 概述

2.2 球面薄壳稳定性能的有限元分析方法

2.3 网格密度对球面薄壳有限元分析结果的影响

2.4 径向均布荷载作用下球面薄壳的屈曲特点

2.5 竖向均布荷载作用下球面薄壳的屈曲特点

2.6 小结

第3章 基于后屈曲性能的球面薄壳的稳定承载力

3.1 概述

3.2 球面薄壳后屈曲荷载计算式的推导

3.3 球面薄壳后屈曲荷载计算式的验证

3.4 球面薄壳后屈曲荷载计算式中C值的确定

3.5 后屈曲荷载作为球壳稳定承载力的试验依据

3.6小结

第4章 基于拟壳法的单层球面网壳的稳定承载力

4.1 概述

4.2 单层球面网壳稳定性能的分析方法

4.3 单层球面网壳稳定性能的有限元分析

4.4 基于拟壳法的单层球面网壳稳定承载力计算式

4.5小结

第5章 单层球面网壳稳定承载力的试验研究

5.1 概述

5.2 三向网格单层球面网壳试验规划

5.3 第一批网壳稳定承载力试验

5.4 第二批网壳稳定承载力试验

5.5 小结

结 论

参考文献

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致 谢