基于连续损伤力学的铝合金板式节点网壳风致损伤研究

作     者：李勃翰 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘红波

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：铝合金网壳 强风作用 连续介质损伤力学 板式节点 

摘      要：目前铝合金网壳结构应用广泛。由于铝合金弹性模量较低,铝合金网壳结构相对较柔,固有频率较低,在风荷载等周期荷载作用下容易发生共振,产生损伤积累,引起疲劳破坏。因此在设计中应充分考虑铝合金网壳结构的损伤积累。本文基于连续介质损伤力学,从材性、节点和网壳三个层面对铝合金板式节点网壳进行了研究。材性层面,基于Chaboche非线性随动硬化模型和连续介质损伤力学的理论,开发了运用于Abaqus的UMAT子程序,并采用了改进的算法来增加程序的收敛性。通过材料滞回和低周疲劳试验数据拟合得到本构方程所需的参数。建立模型对UMAT子程序及本构方程进行验证,得到的滞回曲线与试验吻合较好,预测的疲劳寿命与试验基本相符。节点层面,完成了两种共4个铝合金板式节点的滞回及低周疲劳试验。设置了变幅加载和等幅加载两种加载方式。通过试验得到了板式节点的破坏模式,在节点相连的梁较多的情况下,节点发生脆性破坏,翼缘断裂。并且得到了节点的滞回曲线、损伤分布和疲劳寿命。采用Abaqus有限元软件,将上述的UMAT使用到节点模型中进行数值模拟,得到的结果与试验结果相符,验证了方法的正确性。虽然在螺栓杆与螺孔挤压处严重应力集中,但是从损伤分布来看,是发生翼缘断裂,裂缝垂直梁长方向,这与试验中试件的断裂位置相吻合。网壳层面,建立了三向网格铝合金单层网壳,采用Abaqus有限元软件对网壳进行了风振时程分析。采用谐谱叠加法,利用MATLAB模拟网壳节点的脉动风荷载。建立多尺度模型,杆件采用梁单元建立,并选择重点节点采用实体单元建立。将上述的UMAT使用到网壳模型中进行数值模拟,获得了杆件的内力时程曲线,以及重点节点的损伤大小及分布。根据损伤预测网壳的疲劳寿命。