蜂窝梁孔口应力集中问题的研究

摘要

蜂窝梁是将H型钢切割错位焊接形成的一种连续开孔的钢结构构件。将蜂窝梁应用于钢结构建筑中能够减少建筑物的自重，节省钢材，同时管线从孔洞中穿过，能够有效降低结构的层高，具有较好的综合效益。
　　蜂窝梁由于连续孔洞的存在其受力性能将有别于传统的实腹式钢梁。根据弹性力学的基本知识，孔洞的存在必将导致孔口处的应力集中，这对蜂窝梁的性能有很大的影响。目前国内外的研究多集中在构件层面，主要关注构件的承载力和变形性能，未能通过对钢梁开孔后的孔口处力学性能进行分析，特别是腹板开孔所引起的应力集中问题还少有研究，应力集中对腹板的受力性能的影响尚不明确。
　　本文基于现有的蜂窝梁试验数据，通过理论分析与Ansys有限元试验相结合，对三种常用开孔形式，六边形，圆形，四边形的孔口应力集中问题进行了分析，研究了不同开孔大小情况下理论计算公式的适用性，以及连续开孔对孔口应力集中地影响。具体研究以下几个方面内容:
　　利用弹性力学的基本理论，运用复变函数的方法，引入保角变换，以无限大开孔板为例，借助Mathematica强大的符号计算能力，对常用的三种常用孔型在不同应力边界条件下的孔口处应力分布特征进行了分析，给出了孔口应力集中系数的理论计算公式，并将计算的结果图谱化便于工程应用。
　　基于已有的蜂窝梁试验数据，分析了孔口边界附近点的应力状态，对比了试验蜂窝梁的孔口附近点的实测结果，基本满足理论计算结果的趋势。根据试验模型，建立了对应的Ansys有限元分析模型，并与试验进行对比，验证了所建立的有限元模型的正确性。
　　通过已验证模型，运用Ansys分析了纯弯状态下的三种不同孔型的孔边周向应力，获得了单个开孔的应力计算公式，并分析了三种孔型大开孔情况下的适用性。分析了三种孔型在弹塑性阶段孔口处的塑性发展过程。研究了三种不同孔型在连续开孔情况下，孔口应力集中的分布情况，讨论了连续开孔对孔边应力集中地影响。
　　最后总结了本文了研究成果，通过分析对比得出了的结论，并对蜂窝梁这种开孔构件进一步研究内容提出了建议。

目录

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摘要

Contents

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 蜂窝梁的应用现状

1．1．2 蜂窝梁的制作工艺

1．2 研究目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文的研究内容、方法及创新点

1．4．1 主要研究内容及方法

1．4．2 主要创新点

第二章 孔口问题的复变函数解

2．1 引言

2．2 弹性理论的基本方程

2．3 复变函数的基本概念

2．4 平面问题的复变函数解法的一般原理

2．5 孔口问题的复变函数解

2．6 多边形孔的保角变换

2．7 基于Mathematica的解

2．7．1 六边形孔口计算算例

2．7．2 计算结果图谱化及对比

2．8 本章小结

第三章 蜂窝梁性能的试验研究与分析

3．1 引言

3．2 蜂窝梁抗剪性能试验简介

3．2．1 试件尺寸设计

3．2．2 材料性能

3．2．3 试验装置和加载制度

3．2．4 试验测点与数据采集

3．2．5 试验现象及破坏形态

3．3 孔口处应力集中的试验分析

3．4 本章小结

第四章 蜂窝梁孔口应力集中的有限元分析

4．1 引言

4．1 有限元模型的建立

4．1．1 单元的选取

4．1．2 材料属性

4．1．3 基本模型的建立

4．1．4 边界条件

4．1．5 有限元结果与试验结果对比分析

4．2 单个孔洞的孔边应力集中的有限元分析

4．2．1 试件尺寸

4．2．2 有限元基本模型建立

4．2．3 圆形孔口有限元分析

4．2．4 六边形孔口有限元分析

4．2．5 正四边形孔口有限元结果分析

4．3 连续开孔的孔边应力集中的有限元分析

4．3．1 试件尺寸及有限元模型建立

4．3．2 有限元结果的对比分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者简介

致谢