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钢结构高等分析及程序的开发

2020-12-24阅读(965)

钢结构高等分析及程序的开发

论文摘要

传统的钢结构设计方法由结构分析和结构设计两部分组成,一般先通过一阶线弹性分析来计算各种荷载作用下的内力,然后再通过荷载组合分析得到最不利内力,并逐一对每个构件进行截面验算,因此传统的钢结构设计方法繁琐费时。随着结构分析设计理论的发展,国外学者提出了高等分析的方法,这种方法能充分地描述结构系统及构件的强度和稳定性,考虑了结构的几何和材料非线性,无需对构件承载力进行逐个的验算,使设计更加合理,且大大简化了设计过程。本文对高等分析理论的塑性铰法进行了分析研究,基于梁柱理论法的精细塑性铰模型,分别对平面钢结构和空间钢结构进行了分析,对几何非线性、材料非线性、剪切变形、初始缺陷、残余应力等非线性效应的影响进行了研究,并根据MATLAB和VB编制了钢结构高等分析程序SSAAP(Advanced Analysis Program for Steel Structure),使理论在程序中得到了实现,主要包括以下几个方面工作:在平面钢结构的高等分析方法中,基于梁柱理论,通过对转角位移方程的推导,考虑剪切变形的影响得到梁柱单元的弹性几何刚度矩阵,然后考虑残余应力和几何初始缺陷的影响,并采用精细塑性铰模型,得到了平面弹塑性刚度矩阵。对空间钢结构的高等分析理论进行了研究,得到了几何非线性空间梁柱单元刚度矩阵,同时又着重研究了截面塑性承载力和残余应力的影响,以及弯曲引起的渐进屈服和弯扭屈曲的影响,从而得到了空间梁柱单元的二阶非弹性刚度矩阵。基于面向对象的有限元编程思想并融合类的概念,结合MATLAB和VB各自的优点,通过混编技术,采用MATLAB语言对计算模块程序进行了编程。并结合COM组件的创建,根据VB人机交互和界面友好的特点以及图像可视化处理技术,编写了SSAAP程序,将钢结构高等分析的理论在程序中得以实现,使钢结构高等分析的理论方法应用到实际工程中成为可能。SSAAP程序能够进行可视化的界面操作,独立运行能力强,可移植性好。论文中通过对多个算例的分析和对比,验证了论文中的二阶非弹性的高等分析单元具有较高的精确性,且计算时只需用少量的单元来模拟,计算效率高,同时也验证了SSAAP程序运行和计算的稳定性和可靠性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 高等分析方法的研究背景
  • 1.2.1 传统分析方法的不足
  • 1.3 国内外高等分析研究动态
  • 1.4 高等分析方法简介
  • 1.4.1 塑性区法
  • 1.4.2 集中塑性模型
  • 1.4.3 高等分析的特点
  • 1.4.4 高等分析方法研究的不足
  • 1.5 课题研究的意义及主要内容
  • 1.5.1 研究目的和意义
  • 1.5.2 论文的内容安排
  • 2 钢结构的二阶非弹性分析
  • 2.1 钢梁柱单元的弹塑性刚度方程
  • 2.1.1 梁柱单元的弹性几何刚度方程
  • 2.1.2 受压梁柱单元
  • 2.2 钢梁柱单元的弹塑性刚度方程
  • 2.2.1 残余应力的影响
  • 2.2.2 几何初始缺陷的影响
  • 2.3 梁柱单元的弹塑性增量刚度方程
  • 2.4 算例分析
  • 2.4.1 端部受压集中力的悬臂梁
  • 2.4.2 超静定梁的非线性分析
  • 2.5 本章小结
  • 3 钢结构三维二阶非弹性分析
  • 3.1 引言
  • 3.2 空间梁柱单元几何非线性分析
  • 3.2.1 影响几何非线性梁单元精度的因素
  • 3.2.2 单元刚度矩阵
  • 3.2.3 求解方法
  • 3.2.4 单元的空间坐标转换
  • 3.3 空间梁柱单元的刚度方程
  • 3.4 空间梁柱单元的切线刚度方程
  • 3.4.1 弓形效应的影响
  • 3.5 空间单元的材料非线性分析
  • 3.5.1 截面塑性承载力
  • 3.5.2 考虑残余应力的影响
  • 3.5.3 弯曲引起的屈服
  • 3.6 空间梁单元的弹塑性切线刚度矩阵
  • 3.6.1 单元弹塑性增量刚度方程
  • 3.6.2 考虑弯扭屈曲的修正刚度矩阵
  • 3.6.3 力矩空间转动的影响
  • 3.7 算例分析
  • 3.8 本章小节
  • 4 钢结构高等分析程序的开发
  • 4.1 引言
  • 4.2 非线性求解的方法
  • 4.2.1 简化增量法
  • 4.2.2 牛顿法和修正的牛顿法
  • 4.2.3 广义位移控制法
  • 4.2.4 收敛准则的判断
  • 4.3 空间单元的坐标转换
  • 4.4 整体坐标系下的单元刚度
  • 4.5 高等分析程序的分析
  • 4.5.1 陈述需求
  • 4.5.2 程序设计语言VB 与MATLAB
  • 4.5.3 MATLAB 对VB 的辅助编程
  • 4.5.4 VB 对COM 组件调用的实现
  • 4.6 SSAAP 功能的实现
  • 4.6.1 函数功能和计算流程
  • 4.6.2 SSAAP 的结构分析过程
  • 4.6.3 SSAAP 开发中的其他问题
  • 4.7 算例分析
  • 4.7.1 平面刚架
  • 4.7.3 六层空间框架
  • 4.8 高等分析在网壳工程中的应用
  • 4.9 本章小结
  • 5 结论与展望
  • 5.1 结论
  • 5.2 展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文
  • 攻读硕士学位期间参加的科研和教研项目
  • 致谢
  • 附录

    • 相关论文文献

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