蜂窝板片空间结构体系设计研究

摘要

金属蜂窝夹层板由强而硬的薄金属面板和轻而柔的厚夹芯层组成，这种结构具有重量轻、强度高、刚度大的特点，还可获得良好的抗振、隔热、隔音等性能，特别适用于要求以最轻的重量抵御强大气荷载的航空及宇宙飞行器部件，同样也适用于对结构自重较敏感的大跨空间结构，但真正能将蜂窝板材应用于板片空间结构的设计，还有许多工作要做。为此，本文围绕着蜂窝板片空间结构体系的设计进行了以下诸方面的研究： (1)蜂窝夹层板属于三维薄壁结构，本身较复杂，首要问题就是求出它的等效弹性参数。本文首先给出了一种求解蜂窝夹层板刚度参数的数值方法，并建立蜂窝夹层板的精确有限元模型，考察表层面板和蜂窝夹芯对蜂窝夹层板刚度的影响，将计算结果与已有的试验结果及理论公式作比较。结果表明，采用本文给出的数值计算方法得到的结果与试验结果和理论公式得到的结果接近，误差能满足工程精度。 (2)将蜂窝夹层板替代传统板片空间结构中的板片，蜂窝板与金属杆件之间共同工作的模拟是一个关键问题。本文在板．杆之间加入了一种连接件单元，建立蜂窝板-杆组合结构有限元模型，并与接触元模型和完全协调有限元模型的结果作了对比。结果表明，采用连接件单元法的计算量比其它几种方法要小，计算精度也能够得到满足。 (3)对多种跨度的蜂窝板-杆组合结构和纯蜂窝板片结构进行了静力分析，与同等跨度的实腹门式刚架进行了对比，然后对一种典型跨度的蜂窝板．杆组合结构和纯蜂窝板片结构进行了弹性动力时程分析。计算结果表明，蜂窝板．杆组合结构和纯蜂窝板片结构的静、动力性能均优于门式刚架。 (4)依托实际工程为背景，对蜂窝板-杆组合结构和纯蜂窝板片结构进行综合经济分析。结果表明，蜂窝板-杆组合结构和纯蜂窝板片结构的用钢指标和经济指标均比较优越。当跨度较小时(<24m)，优先考虑采用纯蜂窝板片结构体系，当跨度较大时(>24m)，优先考虑采用蜂窝板-杆组合结构体系。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2蜂窝夹层结构的力学研究进展

1.2.1等效弹性参数的研究

1.2.2蜂窝夹层结构的计算假定

1.2.3目前流行的计算模型

1.3板-杆共同工作的研究进展

1.4本文的主要工作

本章参考文献

第二章蜂窝夹层板刚度常数的数值求解方法

2.1夹层板的等效理论

2.1.1等效模型及基本计算假定

2.1.2正交各向异性板的基本方程

2.2蜂窝夹层板等效弹性参数的理论公式

2.2.1蜂窝芯层的等效参数

2.2.2蜂窝夹层板的刚度常数

2.3蜂窝夹层板刚度常数的数值求解方法

2.3.1弯曲刚度的求解

2.3.2扭转刚度的求解

2.3.3横向剪切刚度的求解

2.4有限元模拟方法

2.5铝蜂窝夹层板的弯曲试验

2.5.1试验原理

2.5.2弯曲刚度的测定

2.5.3试验结果

2.6计算结果分析

2.7本章小结

本章参考文献

第三章蜂窝板片空间结构的共同工作问题

3.1模拟板-杆共同工作的接触方法

3.1.1间隙单元法

3.1.2罚单元法

3.1.3拉格朗日乘子法

3.1.4基于变分不等式的数学规划法

3.2模拟板-杆共同工作的实用方法

3.2.1有效宽度法

3.2.2板-杆完全协调有限元法

3.2.3变刚度小立柱单元法

3.3蜂窝板-杆组合结构体系的有限元离散

3.3.1蜂窝板-杆组合结构的单元组成

3.3.2空间梁单元

3.3.3空间杆单元

3.3.4基于薄板理论的非协调三角形板单元

3.3.5连接件单元

3.4算例分析

3.4.1试验模型

3.4.2有限元模拟

3.5本章小结

本章参考文献

第四章蜂窝板片结构体系的静、动力性能分析

4.1蜂窝板片结构的静力分析

4.1.1几何参数及材料特性参数的选取

4.1.2荷载条件

4.1.3模型计算描述

4.1.4静力分析结果

4.2蜂窝板片结构与门式刚架的弹性动力分析

4.2.1多自由度体系的无阻尼自由振动

4.2.2弹性地震反应谱分析

4.2.3弹性地震反应的时程分析

4.3本章小结

本章参考文献

第五章蜂窝板片空间结构体系的综合经济分析

5.1结构体系简介

5.1.1蜂窝板-杆组合结构体系

5.1.2纯蜂窝板片结构体系

5.2蜂窝板-杆组合结构体系的综合经济分析

5.2.1工程背景

5.2.2荷载条件

5.2.3计算结果比较分析

5.3纯蜂窝板片结构体系的综合经济分析

5.3.1模型的建立

5.3.2荷载条件

5.3.3计算结果比较分析

5.4本章小结

本章参考文献

第六章结论与展望

6.1本文的主要结论

6.2展望

作者读研期间发表论文

致谢