经典案例
  • 有限元分析在机械产品设计的应用
  • 汽车转向机构有限元分析与优化
  • 风力发电机主轴结构强度分析
  • 发动机连杆的强度分析与结构优化
  • 车辆传动轴的强度分析与方案改进
  • 摩托车车架的刚度及强度分析
  • 注塑模具机构强度分析及结构优化
  • 变速箱轴键强度校核及结构改进
  • 挖掘机铲斗有限元计算和强度分析

体育场屋盖钢结构钢管节点的有限元分析

发布于:2018-08-10 20:15
有限元分析

      体育中心世纪莲体育场是为迎接广东省第十六届运动会而建造的。该体育场为圆形,屋盖为张拉索膜结构,上压环半径为155 m,下压环半径为138 m。内部张拉环索半径为62.5 m。上、下压环高差20 m。整个体育场水平投影面积近63 000时。
      复杂的节点构造往往会引起复杂的应力分布,而对于同一类节点,这种应力分布的可能组合非常多。为了保证节点不至于在构件屈服之前失效,有必要对节点进行有限元分析,以了解节点区域各单元的应力和应变分布情况。本研究采用有限元分析AppStrand 7对该节点进行了弹塑性有限元分析。
      在计算模型中,钢管采用弹性壳单元,其弹性模量E=2.0Xe5 MPa,泊松比Y=0.3。钢管中的混凝土为弹塑性本构关系,且采用Drucker-Prager破坏准则,其弹性模量E=1.6Xe4MPa,泊松比Y=0.2。由于支座的两个水平受压钢管在荷载作用下承受很大的压力,钢管和混凝土之间产生相对滑移的可能性很小,故可以不考虑两者之间的滑移。通过在端面设置耦合刚性面的方法来施加集中力和集中弯矩具有很大的便利性,可直接将总体计算模型中的内力转移到节点模型上。在支座节点的底部设三个平动方向的固定约束。
      钢管和节点板均采用弹性材料。由于混凝土材料受压屈服强度远大于受拉屈服强度,而且材料受剪时,颗粒会膨胀,常用的Von-Mises屈服准则不适用于这种材料。Drucker-P屈服准则(DP材料)可以表示材料不同的抗压强度和抗拉强度,它的屈服强度随着侧限压力(静水压力)的增加而相应增加。
      在Strand 7中,DP材料需要输入两个值:粘聚力c、内摩擦角。
      对于DP材料,其受压屈服强度大于受拉屈服强度。
      上面的屈服准则实际是一种经过修正的Mises屈服准则,它考虑了静水应力分量的影响,静水应力(侧限压力)越高,则屈服强度越大。
      体单元的网格划分采用四面体十节点的单元,面单元的网格划分采用四节点的面单元网格划分。下压环模型中共有22494个节点,12555个体单元,911个壳单元;上压环模型中共有14378个节点,5265个体单元,1661个壳单元。
      对于上、下压环,在任何荷载组合下,整个截面均处在较大的压应力作用下,节点的不平衡作用往往是由腹杆的弯矩和不对称轴力引起的,所以对上、下压环节点而言,考虑其腹杆的最大轴力和最大弯矩两种情况,可以基本反映节点处复杂的应力分布情况。
      有限元的计算结果表明,在两种不利荷载组合作用下,钢管未达到其屈服强度,故前面假设钢管为弹性材料是合理的。
      由DP材料的应力云图可知,混凝土材料(DP)局部的最大拉应力为6tmaX-2.83 MPa,达到了屈服拉应力;;最大压应力为6cmax -10.24 MPa,没有达到屈服压应力。
      下压环中钢管部位的最大应力为177.30 MPa,节点板的最大应力为199.06 MPa。
      上压环中钢管部位的最大应力为231.94 MPa,节点板的最大应力为354.08 MPa。
      可见,所有钢管部分的最大应力均未达到材料的屈服应力。尽管节点板处的局部应力超过了钢材的屈服强度,但主要原因是因为在节点板的销孔附近施加了较大的集中力而产生的应力集中现象。通过下面的弹塑性接触分析,可以对该应力集中现象进行说明。
      注意到钢材实体单元的峰值应力出现在销轴与节点板相交处,且超出了钢材的设计强度。考虑到在总体计算模型中是通过施加节点集中力于该处来模拟销轴的作用,计算应力集中现象较为严重,不能真实反映该局部的应力分布状况。为了更为准确地反映销轴附近的应力状况,对其局部进行弹塑性接触问题分析是十分必要的。
      共计3590 kN的作用力均布于中心的半圆上,方向为X方向。轴与孔之间以零接触单元相连接。钢材均为标准的弹塑性材料,不考虑材料强化。
      图形黑色部位即为销轴产生的塑性区。在接触部位的很小区域内出现了塑性区,但绝大部分的材料仍在弹性范围工作。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
                                                                                                                                                      杭州小鱼儿科技有限企业
                                                                              本文出自杭州小鱼儿科技有限企业www.nataid.com,转载请注明出处和相关链接!

tag标签:
------分隔线----------------------------
------分隔线----------------------------
XML 地图 | Sitemap 地图