输电塔架结构极限承载力分析

论文摘要

输电塔架是一种高次超静定空间结构,被公认为是最难分析的一种杆系结构,利用现有的有限元软件对其进极限承载力分析时发现,结构进入大位移阶段后计算难以收敛。本文利用自己编写的输电塔架真型实验仿真程序,对ZC27102真型塔塔架进行了极限承载力的仿真计算,并得到了较为理想的结果。本文针对ZC27102真型塔塔架建立了更接近塔架真实结构的梁-壳-杆耦合的三维模型,考虑了风载和塔架的自重,以及输电线对塔架的作用力,利用程序对输电塔架做了整体的仿真计算。程序采用空间梁单元和DKQ壳单元编写。空间梁单元采用Bathe提出的空间梁单元的基础上改进而来,能够准确计算L型截面梁的弹塑性后屈曲变形。DKQ壳单元采用DKQ薄板单元和带有绕法线旋转自由度的膜单元组合而成,面内刚度采用DKQ薄板单元计算,面外刚度采用膜单元计算,这种壳单元在计算薄板问题时不会出现剪切自锁。程序采用Updated Lagrangian方法表述,考虑了几何非线性和材料非线性对结构刚度的影响,基于全Newton-Raphson法进行迭代计算,采用柱面弧长法控制迭代,求解塔架的载荷-位移曲线。最终得到了较为理想的结果,并且和实验结果基本符合。通过和梁-杆模型的计算结果对比,壳-梁-杆模型的计算结果比梁-杆模型更准确。本文的研究表明,程序对输电塔架的极限承载力分析准确有效。本文最后对计算结果的不足做出了分析,并对仿真程序的改进提出了完善建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 输电塔架概况
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 国内外研究概况
• 1.5 本文主要研究内容
• 2 空间梁单元非线性有限元理论
• 2.1 空间梁单元几何非线性
• 2.2 空间梁单元的材料非线性
• 2.3 空间梁非线性计算框图
• 2.4 梁单元非线性算例
• 2.5 本章小结
• 3 DKQ 壳单元非线性有限元理论
• 3.1 DKQ 壳单元的构造
• 3.2 DKQ 壳单元非线性计算
• 3.3 DKQ 壳单元非线性计算框图
• 3.4 DKQ 壳单元非线性算例
• 3.5 本章小结
• 4 输电塔架真型实验仿真程序
• 4.1 总刚度矩阵的一维变带宽存储
• 4.2 一维变带宽存储对应的LDL 解法
• 4.3 节点应力应变
• 4.4 非线性迭代控制算法
• 4.5 程序流程图
• 5 输电塔架的梁-壳-梁-杆单元耦合分析
• 5.1 输电塔架结构和有限元模型
• 5.2 60 度大风工况
• 5.3 60 度大风下的极限载荷分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步工作的展望
• 致谢
• 参考文献