板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層合板的屈曲分析_王星

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1、6板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層合板的屈曲分析2009年8月板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層合板的屈曲分析112王星,王凡,蔡思遠(11寧波工程學(xué)院建筑工程學(xué)院,寧波315016;2.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,杭州310014)摘要:板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種受力性能合理,技術(shù)經(jīng)濟效益良好的新型空間結(jié)構(gòu)形式。本文結(jié)合復(fù)合材料力學(xué)理論和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)(板殼理論),采用組合結(jié)構(gòu)有限元對復(fù)合材料層合板自身的局部穩(wěn)定性和主要影響因素進行全面和深入的研究,研究復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力性能,為復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計和層合板鋪層設(shè)計提供理論上的依據(jù),得出了可應(yīng)用于工程實踐的重要結(jié)論。關(guān)鍵詞:板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu);復(fù)

2、合材料層合板;屈曲分析;板殼理論中圖分類號:TU356;TB332文獻標識碼:A文章編號:1003-0999(2009)04-0006-051引言此需要對復(fù)合材料板的受力特性及其它一系列問題板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是指用板片組成錐體單元,按網(wǎng)進行全面和深入的研究。殼結(jié)構(gòu)的曲面形狀將錐體單元拼接成整體,各錐頂在復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中,錐體單元的板件再用桿件有規(guī)律地相互連接所形成的一種新型結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠小于材料的設(shè)計強度極限值,由于復(fù)合材料形式[1],如圖1所示。板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受力性能合理,(玻璃鋼)的彈性模量較低,且層合板的厚度一般較可充分利用板材的強度和剛度,發(fā)揮材料的最大效薄,故局部屈曲是

3、主要設(shè)計控制因素。本文結(jié)合復(fù)用,同時集承重、圍護、裝飾為一體,輕質(zhì)高強,具有合材料力學(xué)理論和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)(板殼理論),良好的技術(shù)經(jīng)濟效益,并且具有鮮明的建筑視覺效采用組合結(jié)構(gòu)有限元對復(fù)合材料層合板自身的局部果,因此在國外得到了廣泛的應(yīng)用。穩(wěn)定性和主要影響因素進行全面和深入的研究,研究復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力性能,以便為復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計和層合板鋪層設(shè)計提供理論上的依據(jù)。2復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分析方法對于復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),本文采用只考慮上弦桿的錐頂節(jié)點為鉸接、底面節(jié)點為剛接的計算圖1板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)示意圖模型。在ANSYS模型中,桿件單元取2節(jié)點6自由由于復(fù)合材料

4、板材“輕質(zhì)、高強”,比強度比普度的空間桿單元Link8;對于三角形板單元,采用4通鋼材高很多,具有強度和彈性性能的可設(shè)計性,特節(jié)點有限應(yīng)變殼單元Shell181,每節(jié)點6自由度。別適合應(yīng)用于板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的予制錐體單元。文獻復(fù)合材料建模的難點是如何準確模擬層合板鋪層設(shè)[2]對玻璃鋼板材在板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進行了計,在ANASY軟件中,材料坐標系是確定材料屬性初步的研究,只是對板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行整體分析,并方向的坐標系,是由單元坐標唯一確定的,要確定材沒有對組成錐體單元的復(fù)合材料板件自身的一系列料坐標,只要確定單元坐標就行了,復(fù)合材料Shell力學(xué)問題進行研究,材料設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)

5、計沒有同時單元默認的單元坐標是以i2j邊為基礎(chǔ)的坐標系。進行。但是復(fù)合材料具有各向異性、不均勻性、低層在進行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)建模的時候,有些時候結(jié)構(gòu)幾間剪切模量和低層間剪切抗拉強度、幾何非線性和何比較復(fù)雜,很難用統(tǒng)一的坐標來確定單元坐標系,物理非線性等一系列的力學(xué)特點,它的力學(xué)問題比板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的層合板都是三角形,直接劃分單元,均勻、連續(xù)、線彈性和各向同性的材料復(fù)雜的多,因很難統(tǒng)一單元坐標系,故板單元采用4節(jié)點的收稿日期:2009204211基金項目:浙江省自然科學(xué)基金(Y107595);浙江省科技計劃項目(2007R10025)作者簡介:王星(19702),男,博士,教授,主

6、要從事空間結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)方面的研究。FRP/CM20091No142009年第4期玻璃鋼/復(fù)合材料7[4]Shell181,并利用直接創(chuàng)建節(jié)點和單元的建模方式,穩(wěn)定問題的幾何剛度矩陣,可參見有關(guān)文獻。設(shè)來控制單元坐標系,這為能夠準確模擬復(fù)合材料層最小正特征值為λ1,則λ1Nx、λ1Ny、λ1Nxy便是臨界合板鋪層設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。平面內(nèi)力。3復(fù)合材料層合板的局部屈曲分析設(shè)有一正放四角錐板錐柱面網(wǎng)殼,見圖2,該結(jié)復(fù)合材料層合板可整體視為正交異性層合板構(gòu)跨度S=30m,長度L=45m,矢高F=10m,厚度h(如正交對稱層合板),其屈曲微分方程為[3]:=1.5m,網(wǎng)格劃分為10×1

7、5,上弦桿采用Φ108×54ω54ω54ω510的圓鋼管,錐體三角形板件采用8mm厚四層均D?114+2(D?12+2D?33)22+D?224=-Nx5x5x5y5y厚正交對稱鋪設(shè)GFRP層合板。各鋪層均為玻璃/25ω環(huán)氧樹脂,層合板鋪設(shè)計方式為[0/90]S,板的材料(1)25x性能參數(shù)見表1。結(jié)構(gòu)承受沿曲面分布的豎向均布式中,D?11、D?12、D?33、D?22分別為層合板的抗彎剛荷載,同時考慮結(jié)構(gòu)自重,結(jié)構(gòu)邊緣下弦節(jié)點三個方度系數(shù);Nx為板x方向的面內(nèi)壓力;Ny一般較小,其向線位移約束。對x方向屈曲的影響