网格结构节点设计与分析

论文摘要

网格结构包括网架与网壳,是指将多根杆件按照某种具有一定规律性的几何形状,通过节点连接形成的网格状三维杆系结构。网格结构具有力学性能好、适应范围广、造型优美等特点,被大量应用于体育馆、展览馆、机场航站楼等大跨度结构,是目前发展最迅速、应用最广泛的空间结构形式。网格结构的节点可以连接汇交杆件,传递杆件内力,而且,节点选型及设计是否合理对于网格结构的力学性能、安装制作、工程造价等都会产生重要影响,因此,节点是网格结构的重要组成部分。本文以黄石体育馆钢屋盖网格结构为工程背景,使用SAP2000软件对结构进行了整体分析,得到了杆件内力。为验证整体分析的正确性,在临空节点和部分主梁上布置测点,得到了结构在自重作用下应力和位移的实测值,并与理论值进行了对比。在整体分析的基础上,本文介绍了焊接钢板节点和铸钢节点的设计思路,验算了节点强度,分别建立杆系模型和实体有限元模型,给节点施加单位荷载,验算了两种不同类型节点的刚度。对于焊接钢板节点,利用APDL语言编程模拟了焊接过程,借助ANSYS热-结构耦合分析功能求出了应力场,通过对比,数值模拟结果与现有理论基本吻合。为进一步了解焊接钢板节点和铸钢节点的特点,本文从加工制作、安装工艺、力学性能和经济性能等多角度对这两种形式的节点进行了对比分析。计算与分析结果表明：焊接钢板节点制作较简单,造价较低,但体型较大；焊接钢板节点可以实现空间角度复杂的杆件间的连接,虽然杆件与筒体连接处有可能会出现应力集中的现象,考虑材料非线性之后,应力集中区域不大；焊接中会产生焊接残余应力,但有限元软件可以模拟焊接过程,预测焊接残余应力的大小和分布状态。铸钢节点由铸钢材料浇注而成,节点形式灵活,造型优美,但造价较高；铸钢节点受力较均匀,不存在明显的应力集中现象。焊接钢板节点和铸钢节点都适合应用于网格结构中,尤其是节点受力大,汇交杆件数量多、空间角度复杂的网格结构,而且,由于这两种形式的节点各具特色,如果在合适的结构中同时使用这两种节点,不仅可以满足设计要求,还可以产生很好的经济效益,是网格结构节点优化设计的一种途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 网格结构的发展简史
• 1.2 网格结构的特点
• 1.3 网格结构的工程应用
• 1.4 常用的网格结构节点形式
• 1.4.1 焊接钢板节点
• 1.4.1.1 研究现状
• 1.4.1.2 存在的问题
• 1.4.2 铸钢节点
• 1.4.2.1 研究现状
• 1.4.2.2 存在的问题
• 1.4.3 焊接空心球节点
• 1.4.3.1 研究现状
• 1.4.3.2 存在的问题
• 1.4.4 螺栓球节点
• 1.4.4.1 研究现状
• 1.4.4.2 存在的问题
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 有限单元法理论
• 2.1 有限元方法介绍
• 2.1.1 有限元法的计算步骤
• 2.1.2 有限元分析软件
• 2.1.2.1 ANSYS实体建模
• 2.1.2.2 ANSYS分析功能
• 2.1.2.3 ANSYS有限元分析步骤
• 2.2 结构非线性有限元法
• 2.2.1 非线性类型
• 2.2.1.1 几何非线性
• 2.2.1.2 材料非线性
• 2.2.2 非线性方程组的求解
• 2.2.3 非线性分析的特殊性
• 2.3 小结
• 第3章 黄石体育馆钢屋盖工程整体分析
• 3.1 工程概况
• 3.2 有限元分析软件简介
• 3.3 整体结构模型的建立
• 3.4 模型分析
• 3.4.1 荷载工况的定义
• 3.4.2 分析工况的定义
• 3.4.3 荷载组合
• 3.5 理论值与实测值对比
• 3.5.1 位移对比
• 3.5.1.1 位移测点布置
• 3.5.1.2 位移测量控制网的建立
• 3.5.1.3 实测位移值与理论值对比
• 3.5.1.4 数据分析
• 3.5.2 应力对比
• 3.5.2.1 传感器的选择
• 3.5.2.2 测点布置
• 3.5.2.3 实测应力值与理论值对比
• 3.5.2.4 数据分析
• 3.6 内力计算
• 3.7 小结
• 第4章 黄石体育馆钢屋盖工程节点设计与分析
• 4.1 大型焊接钢板节点
• 4.1.1 设计思路
• 4.1.2 建立有限元模型
• 4.1.3 强度分析
• 4.1.4 刚度分析
• 4.1.4.1 角位移分析
• 4.1.4.2 线位移分析
• 4.1.5 焊接残余应力分析
• 4.1.5.1 建立有限元模型
• 4.1.5.2 热源的确定
• 4.1.5.3 温度场求解
• 4.1.5.4 应力场求解
• 4.2 铸钢节点
• 4.2.1 设计思路
• 4.2.2 建立有限元模型
• 4.2.3 强度分析
• 4.2.4 刚度分析
• 4.3 焊接钢板节点和铸钢节点对比
• 4.3.1 加工制作
• 4.3.2 安装工艺
• 4.3.3 力学性能
• 4.3.4 经济性能
• 4.3.5 对比分析结论
• 4.4 小结
• 第5章 结论
• 5.1 结论
• 5.2 存在的问题
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士期间发表的学术论文