网壳设计与分析


  钢结构在现代结构中扮演了重要角色。钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。也就是大厦、体育 馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。按照结构体系可以分为框架、平面(木行)架、网架(壳)、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。

  其理论与技术大都成熟。亦有部分难题没有解决,或没有简单实用的设计方法,比如网架(壳)的稳定设计与分析。

  此项目是LUSAS给韩国三星集团定制的“LUSAS网壳非线性屈曲设计与分析”专用程序包。按照设计流程,大致分为以下步骤:


        1 选型

  用户可以根据需要来选型,主要分为平直形、圆形、扁圆形、椭圆形以及拱形5种。

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1 选型

       

        2 选择初始结构形状

  选型结束后,需要进一步选择各个部件的初步形状,如构件上部和下部等。然后程序自动会将它们组合起来,形成新的结构类型。用户可以通过AutoCADDXF文件,将设计的类型导入到LUSAS中,此对话框允许用户方便进行此类操作。

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2 截面选择


        3 属性配置

  结构布置结束后,需对构件单元类型、截面尺寸、材料属性进行设定。

  单元类型包括杆单元以及梁单元两种。

  尺寸设定主要是对梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的估算。一般这是一个反复调整的过程,用户可以使用结构优化软件LUSAS进行截面优化。用户可以通过AutoCADDXF文件,将设计的尺寸导入到LUSAS中,此对话框允许用户方便进行此类操作。

  材料属性也可以在该对话框中设定。

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3 属性设定


         4 边界设定

  程序可以按照选择的类型施加不同的约束方式,比如构件之间是铰接还是刚接等。其对话框如下所示:

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4 边界约束


         5 加载以及组合

  由于是用户定制的,因此该向导中可以由用户自己设定需要的规范以及对应的荷载类型。这里同时也包括了美国的ASDLRFD钢结构规范。加载对话框如下图5所示:

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5 加载

  

   同时程序允许用户可以按照规范要求自动对各类荷载自动组合,组合向导界面如下所示:

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6 荷载组合向导


         6 优化求解

  需要指出,这里的求解不是一次就可满足用户需要的,需要一个反复的过程。事实上正因为是优化,才需要反复计算以确定结构尺寸。下面的流程图可以说明整个软件的运行过程:

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7 优化设计流程

  

  事实上,上面从选型到加载这5步仅仅是为设计做了最基本的工作,也就是图7中的“构件尺寸的随机选取”这一步。

  之后进行一个初始分析,用户需要输入屈服应力以及应力比。从而可以在接下来确定构件的初始尺寸。

  之后弹出的对话框将需要用户输入优化的参数,比如规范种类、规范中的最大应力比、允许的构件最大变形、最大迭代数量等。之后将反复计算尺寸从而确定构件的最后形状。

  从初始分析确定初始形状,到反复分析确定最终形状这个过程,可以用下面的图形表示:

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8 优化计算核心界面

  

  尤其需要指出的是LUSAS可以提供挠度和应力的双控检测。

  当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件,自动从给定的截面库里选择加大一级.并自动重新分析验算,直至通过,如LUSAS 等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了工程师很多的工作量。但是,初学者至少应注意,当预估的截面不满足时,加大截面应该分两种情况区别对待:

(1) 强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度,其中,抗弯不满足加大翼缘厚度,抗剪不满足加大腹板厚度。

(2) 变形超限,通常不应加大板件厚度,而应考虑加大截面的高度,否则,会很不经济。

  使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能,很难考虑上述强度与刚度的区分,但是LUSAS可以考虑这方面的问题。


         7 非线性屈曲分析

  构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。因此可以说现在的常规设计与分析方法是和规范并不完全符合的,而一般软件使用的P-Δ效应也只是对几何非线性影响的一种近似。

       LUSAS不仅可以在屈曲分析时使用非线性材料,同时也可以考虑几何非线性,这为更精确的分析结构提供了最为全面和高端的条件。其界面如下图9所示。

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9 非线性屈曲分析界面


      8 生成报告

       LUSAS可以在这里方便地生成用户需要的报告数据与格式,可以说LUSAS的二次开发能让用户随意定制报告。

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10 报告生成向导