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重型刚性屋面索穹顶力学性能优化和关键施工技术研究

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重型刚性屋面索穹顶力学性能优化和关键施工技术研究

作者：黄健飞东南大学

学位级别：硕士

索穹顶结构作为典型的全张力结构,预应力为拉索提供刚度,结构在成型过程中,拉索和压杆之间形成自平衡。作为国内鲜有的百米跨度刚性屋面混合型索穹顶结构—顺德德胜体育中心体育馆,由外压环、脊索、斜索、环索、撑杆和内拉环等组成,其... 详细信息

索穹顶结构作为典型的全张力结构,预应力为拉索提供刚度,结构在成型过程中,拉索和压杆之间形成自平衡。作为国内鲜有的百米跨度刚性屋面混合型索穹顶结构—顺德德胜体育中心体育馆,由外压环、脊索、斜索、环索、撑杆和内拉环等组成,其中内两环和最外环的索杆系采用Geiger型,次外环的采用Levy型,椭圆形索杆系平面尺寸为105.5m×124.5m,本文以此工程结构作为载体,对刚性屋面混合型索穹顶结构的力学性能和关键施工技术开展了研究,主要包括拉索预应力的找力优化、结构静力分析、自振模态分析、施工全过程模拟、施工误差影响分析、关键节点构造和施工工艺,具体研究内容和结论如下:首先,介绍索穹顶结构的研究背景、意义和分类以及刚性和柔性屋面索穹顶结构的工程案例,阐述目前国内外学者在索穹顶结构的力学性能、施工全过程模拟和施工误差分析等方面的研究现状,介绍本文的工程载体。第二,提出一种分步扩展、由内向外逐圈找力的方法,综合采用迭代法和小弹模法以确定拉索最终预应力,达到恒载预应力态下结构总体竖向位移接近0的找形目标;然后,从预应力水平、承载能力极限状态和正常使用极限状态三个方面研究混合型索穹顶结构的基本力学性能,得出防止拉索松弛是控制本工程预应力水平的关键因素,1.0倍的拉索预应力能够避免拉索松弛且保证整体预应力水平较低,结构满足承载力和刚度要求;然后,采用动力响应分析法进行自振模态分析,获得在恒载预应力工况下结构的前20阶振型、周期和频率,其主要振型为索杆系发生水平扭转屈曲和竖向弯曲屈曲。第三,针对工程载体索穹顶结构,采用“内环竖向提升+索杆系斜向牵引提升交替”的施工方法,以减小脊索锚接力为原则,确定了内拉环中心标高接近脊索锚接耳板标高时为脊索锚接最优时机;采用“基于抛物线拟合的非线性动力有限元找形法”进行施工全过程模拟,将整个施工全过程划分为19个工况,得到各工况下的位形、索力、应力等关键结构响应及变化规律,保证了施工过程中的安全性。第四,研究样本数量对误差分析结果的影响,确定后续误差分析均设置500个样本数量;然后,采用蒙特卡罗方法并结合正态分布模型对施工过程中拉索长度误差、外联节点坐标误差和外斜索张拉力误差进行独立和耦合随机误差分析,得到拉索的应力误差响应,总结误差对结构索应力的影响程度和敏感性规律,提出本工程的误差控制指标:由内向外第一、二圈脊索和斜索长度误差允许值为±5mm,其余拉索长度误差按规范取值,即第三、四圈脊索和斜索长度误差允许值为±15mm,第一、三圈环索的索长误差允许值为±15mm,第二圈环索的索长误差允许值为±L/5000,外联节点安装坐标误差允许值为±30mm,外斜索张拉力误差允许值为±10%。第五,介绍工程载体索穹顶结构中索端、索夹关键节点的构造和承载力计算方法;介绍施工现场关键施工工艺,主要包含:拉索开盘铺设、索夹安装、索杆系牵引提升和拉索张拉。最后,系统性地总结了本文的研究内容和成果,并且指出了此结构可进一步开展的工作和研究内容。

关键词：混合型索穹顶力学性能分析施工全过程模拟误差分析施工工艺

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深海柔性立管动力及力学性能实验分析

深海柔性立管动力及力学性能实验分析

作者：姜豪上海交通大学

学位级别：硕士

随着海洋资源的开发逐渐向深海迈进，深海装备的研发已成为近几年的热点。非粘结柔性立管由于其弯曲刚度小、质量轻、耐腐蚀以及抗疲劳性能强等特点，适用于深海恶劣的海况。然而，由于非粘结柔性立管结构的复杂性和深海环境载荷的复杂... 详细信息

随着海洋资源的开发逐渐向深海迈进，深海装备的研发已成为近几年的热点。非粘结柔性立管由于其弯曲刚度小、质量轻、耐腐蚀以及抗疲劳性能强等特点，适用于深海恶劣的海况。然而，由于非粘结柔性立管结构的复杂性和深海环境载荷的复杂性，使得非粘结柔性立管在设计和服役过程中的结构失效分析面临很大的挑战。首先，非粘结柔性立管的局部结构由多层互相非粘结的功能层以及高分子层组成，层间可相互滑移、摩擦，造成了立管非线性的力学性能和特殊的本构关系;其次，其复杂的结构导致其拉伸刚度远远强于其弯曲刚度，致使其在求解动力响应问题过程中容易造成计算的不收敛，使得其动力响应难以准确求解;最后，由于柔性立管的疲劳破坏往往不是所有结构层同时发生，传统的疲劳寿命分析方法无法分析柔性立管结构多层的疲劳性能。本文针对非粘结柔性立管设计和运行中所遇到的挑战进行了详细的研究，主要的工作如下：1、运用新型简化模型对柔性立管的局部力学性能进行分析。非粘结柔性立管结构复杂，采用传统的实体建模的方法虽然能较为准确地对其力学性能进行评估，但是由于模型节点自由度数量巨大，此外还需考虑层间的接触和摩擦等非线性因素使得其计算成本十分高昂，而传统的简化模型忽略了立管层间的摩擦又无法反映非粘结柔性立管特殊的非线性本构关系。运用改进后的梁壳组合新型简化模型对非粘结柔性立管进行局部力学分析可以在保证计算精度的前提下大大减少计算成本，并能够准确反映其非线性的力学特性。2、提出运用多层应力分配法对非粘结柔性立管的本构关系进行分析。多层非粘结柔性结构物的本构关系一直是力学分析的难点，本文提出运用多层应力分配法，结合层间的接触关系和摩擦关系，引进滑移/粘滞模型，对立管的各层结构分别建立本构方程，并用之前建立的数值分析模型来进行验证。本构关系的建立是解决非粘结柔性立管力学问题的关键，也是后续疲劳分析的基础。3、提出了耦合单元法求解非粘结柔性立管的动力响应。针对非粘结柔性立管动力分析遇到的计算不收敛问题，推导并建立了适用于柔性结构物的总体动力分析方法。考虑到复杂的海洋环境载荷，采用时域动力分析的方法使结果更加准确。分别运用经典的静力算例和动力分析算例来验证提出方法的可靠性。并运用该方法求解了自由悬挂式立管的动力响应。4、采用多层疲劳寿命分析法求解非粘结柔性立管的疲劳寿命。针对传统方法无法求解非粘结柔性立管多层的疲劳寿命分析问题，结合前文的多层应力分配法，将总体的动力响应分配到各层中，再对立管所有的结构功能层进行疲劳寿命分析。并讨论了设计变量对非粘结柔性立管疲劳寿命计算的影响。

关键词：柔性立管力学性能分析本构关系动力响应分析疲劳分析参数敏感性分析

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钛合金蒙皮激光切割质量及力学性能影响分析

钛合金蒙皮激光切割质量及力学性能影响分析

作者：吴辰陕西理工大学

学位级别：硕士

钛合金作为难加工材料,其机械加工问题较多,采用激光加工飞机钛合金蒙皮件可以实现加工时无弹性震动、方便夹持等特点,降低了加工成本,有效地避免了机械铣削加工所产生的难题。本文首先在研究了国内外激光切割技术的基础上,分析了激光... 详细信息

钛合金作为难加工材料,其机械加工问题较多,采用激光加工飞机钛合金蒙皮件可以实现加工时无弹性震动、方便夹持等特点,降低了加工成本,有效地避免了机械铣削加工所产生的难题。本文首先在研究了国内外激光切割技术的基础上,分析了激光切割技术基本原理和钛合金材料的相关应用,探究了激光切割方式和材料作用机理,归纳了激光切割质量的评价指标和主要影响因素,并根据能量传递和传热学原理,通过ANSYS建立了激光切割钛合金板材过程的有限元仿真模型,其中对激光起始穿孔的过程也进行了仿真试验,利用APDL语言得到了温度场分布规律,发现切割起始穿孔主要受激光功率和板厚的影响;热源移动时孔位处能量发生拖滞,切割过程中激光能量传递呈彗星状且高热带区域较小,符合激光切割的温度场能量分布,进而分析了不同切割参数对钛合金激光切割的热影响情况。其次,采用BODOR光纤激光切割机对TC4板材进行激光切割试验,通过单因素试验验证了有限元仿真的温度分布影响规律,通过正交试验探究了激光功率、切割速度和氮气压力三种因素对钛合金切割质量的影响程度,得到了最优工艺参数组合,并利用响应面法分析得出各因素的响应灵敏图,建立了各影响因素对响应指标的回归方程表达式,并对最优切割质量进行参数预测,预测结果与试验基本吻合。最后,对激光切割试件的拉伸-剪切强度、硬度性能和疲劳寿命进行了分析研究。设计了拉伸-剪切强度试验对最优参数得到的激光切割试件进行试验,并与机械铣削加工试件进行对比,得到激光切割热影响区对钛合金抗拉强度、屈服强度和伸长率等不同程度的影响,通过对切口深度方向测量维氏硬度值得到激光切割对材料硬度影响和热影响区的宽度范围,同时利用疲劳强度设计方法对激光切割的试件进行了疲劳强度分析和试验,最终得出了激光切割对试件疲劳寿命的影响规律。

关键词：激光切割钛合金热分析工艺参数优化力学性能分析

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Ⅱ型地下连续墙接头力学性能的简易计算方法

东南大学学报（自然科学版） 2015年第5期45卷 929-934页

作者：金晓飞张玉良梁书亭朱筱俊东南大学土木工程学院南京210096 东南大学建筑设计研究院有限公司南京210096

运用等值梁法对Ⅱ型地下连续墙接头在施工阶段的受力和变形进行理论分析,并给出了Ⅱ型接头施工过程中内力和变形的计算公式.利用得到的计算方法,计算实际工程中Ⅱ型地下连续墙接头的内力及变形,并通过建立三维非线性有限元模型验证了该... 详细信息

运用等值梁法对Ⅱ型地下连续墙接头在施工阶段的受力和变形进行理论分析,并给出了Ⅱ型接头施工过程中内力和变形的计算公式.利用得到的计算方法,计算实际工程中Ⅱ型地下连续墙接头的内力及变形,并通过建立三维非线性有限元模型验证了该计算方法的正确性,分析了上端2种不同约束形式对接头力学性能的影响.分析表明,上端刚接约束比铰接约束接头的内力分布均匀,最大变形小.该方法可为以后该类接头初步预测及检查设计提供参考.

关键词： Ⅱ型接头力学性能分析简易计算方法施工过程模拟

基于准动态校准的Φ3.5×8.75mm柱形铜柱力学性能仿真分析

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测试技术学报 2016年第4期30卷 299-305页

作者：张子潇孔德仁王芳杨丽侠南京理工大学机械工程学院江苏南京210094 中国兵器工业204所陕西西安710065

为了改善铜柱测压中静标体系的缺陷,我国曾设计了采用准动态校准的Φ3.5×8.75mm铜柱测压器材,而在实际使用过程中该型铜柱测压系统在高压测试中出现了一些问题,其结构设计需要进行优化,这必然涉及到对该型铜柱测压范围的界定与预压值... 详细信息

为了改善铜柱测压中静标体系的缺陷,我国曾设计了采用准动态校准的Φ3.5×8.75mm铜柱测压器材,而在实际使用过程中该型铜柱测压系统在高压测试中出现了一些问题,其结构设计需要进行优化,这必然涉及到对该型铜柱测压范围的界定与预压值的选择.应用非线性动力学软件LS-DYNA对铜柱测压系统在不同预压与温度下的力学性能行了仿真分析,得到了预压与温度对铜柱变形量的影响,研究成果为Φ3.5×8.75mm柱形铜柱测压器的优化提供了依据以及参考.

关键词：塑性测压准动态校准力学性能分析压力测量有限元分析

预应力轴压比对节段拼装桥墩力学性能影响分析

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广东工业大学学报 2019年第4期36卷 85-91页

作者：禹智涛潘浩贺绍华广东工业大学土木与交通工程学院

采用后张预应力连接的节段拼装桥墩具有施工工期短、对环境影响小、质量易保证等优点,但至今其力学性能尚不明确.为了获得一个具有良好力学性能的预应力轴压比值,本文以一节段拼装桥墩为原型,设计了5种节段拼装桥墩方案,利用ABAQUS建立... 详细信息

采用后张预应力连接的节段拼装桥墩具有施工工期短、对环境影响小、质量易保证等优点,但至今其力学性能尚不明确.为了获得一个具有良好力学性能的预应力轴压比值,本文以一节段拼装桥墩为原型,设计了5种节段拼装桥墩方案,利用ABAQUS建立了实体有限元模型并进行模拟计算.将模拟结果与既有试验结果进行比较,验证了该模拟方法的正确性.分析对比了不同预应力轴压比对节段拼装式桥墩的力学性能的影响,结果表明轴压比在10%~20%的结构拥有较好的力学性能.研究为节段拼装桥墩的设计提供一定的参考.

关键词：预应力节段拼装桥墩预应力轴压比力学性能分析 ABAQUS

预应力配筋率对节段拼装桥墩力学性能影响分析

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广东土木与建筑 2021年第9期28卷 19-23页

作者：刘铭炜广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司广州510507

为了研究预应力配筋率对节段拼装桥墩力学性能影响,利用有限元软件ABAQUS建立既有文献中的试验模型,将数值分析结果与试验结果进行对比,验证数值模型的合理性。再对文中所设计的3种节段拼装桥墩方案进行有限元建模并进行数值分析,研究... 详细信息

为了研究预应力配筋率对节段拼装桥墩力学性能影响,利用有限元软件ABAQUS建立既有文献中的试验模型,将数值分析结果与试验结果进行对比,验证数值模型的合理性。再对文中所设计的3种节段拼装桥墩方案进行有限元建模并进行数值分析,研究预应力配筋率对节段拼装桥墩力学性能影响。结果表明:采用本文的建模方法能较为准确地预测结构的力学行为。在一定范围内增大预应力钢筋的配筋率,在结构破坏时可以有效减少裂纹的开展的范围;另外,预应力配筋率越大,结构的极限承载力越大,耗能能力越强,但在达到极限承载力后,承载力丧失的程度却越快。

关键词：预应力节段拼装桥墩预应力轴压比力学性能分析 ABAQUS

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钢结构旋转楼梯力学性能与成型机理分析

建筑技术开发 2018年第18期45卷 65-66页

作者：王震余佳亮张劲帆赵雅中建钢构有限公司广东深圳518040

建筑结构中常采用旋转钢梯来节省空间及契合建筑室内功能要求。旋转钢梯结构相对复杂,其力学性能分析及深化模型成型机理是设计中的难点。结合某建筑异形旋转钢楼梯设计案例,对该楼梯结构的刚度、强度、稳定性及舒适度进行计算分析,探... 详细信息

建筑结构中常采用旋转钢梯来节省空间及契合建筑室内功能要求。旋转钢梯结构相对复杂,其力学性能分析及深化模型成型机理是设计中的难点。结合某建筑异形旋转钢楼梯设计案例,对该楼梯结构的刚度、强度、稳定性及舒适度进行计算分析,探讨了楼梯结构的力学性能特征。根据此类构件的空间三维成型特点以及加工需求,归纳出弯扭构件的空间放样流程及深化图纸表达,讨论了旋转钢梯三维模拟精度的控制方法及加工成型机理,为同类工程提供参考。

关键词：弯扭构件旋转钢梯力学性能分析成型机理

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某工程开洞H型钢梁力学性能有限元分析

某工程开洞H型钢梁力学性能有限元分析