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加:丝————型塑型盟兰塑L————————一 桅杆结构静力整体稳定的非线性有限元分析 郭建斌1,陈粲1,卓文2 福州大学土木建筑工程学院.福州350002:2福建省广电厅维锤安装工程处,福州350014 摘要:奉文通过对桅杆结构进行静力整体稳定分析,探讨了桅杆结构的非线性有限元分析方法。摹于桅杆结构的非线性 平衡方程.应用ANSYS软件分析其受力情况.采用特征值屈曲方法求得桅杆失稳载荷的数值解卜限,然后以该 L限作为非线性屈曲分析的给定载荷.在渐进加载达到此载荷前,求得非线性失稳临界解,并对桅杆结构的后屈 曲路径进行分析. 关键词:非线性: 桅杆I 稳定; 特征值; 屈曲; 弧长法 1引言 删 桅杆结构是一种高柔结构,主要由单根矗立的杆身和数层斜拉的纤绳所组成。由于桅杆结构的高柔特 点,在桅杆结构的稳定和振动分析中必须考虑几何非线性的影响。 桅杆结构的稳定问题主要是指压屈稳定。作为弹性体的结构物在轴向压力或其它外力作用F发生较人 变形而形成临界状态,致使外力不能再有微量增加,否则引起变形无限发展,而使结构物丧失稳定。桅杆 结构有局部稳定问题和整体稳定问题。整体稳定是由于某一节间或跨间丧失稳定而退出I:作,引起内力重 分布或过火变形,导致整个结构丧失其承载能力。 桅杆结构的整体稳定计算分析方法中,临界力法是用各种精确、近似的方法求其临界力;极限位移法 也就是杆身采用梁元法和杆元的矩阵位移法,利用迭代求解得出失稳前荷载一位移关系,但无法分析结杜J 失稳前后的整个变形路径。本文基于桅杆结构非线性稳定空间杆索有限元理论…,应J_}jANSYS有限元软 什对桅杆结构的整体提升中的静力稳定进行分析,并研究桅杆结构屈曲前和屈曲后的性能。 2计算理论 2.1桅杆结构的非线性静力平衡方程Ⅲ川 根据修正的总体Lagrangrian坐标描述法,杆单元的增量平衡方程 (【K。】+[K,】){△“)={F”“’)一{R”’) 式中,【K。】为线刚度矩阵;[髟】为初应力刚度矩阵。 假定{t}.和{厶},分别为索元f自重和风力引起的节点荷载,g为索元的均布竖向重力荷载,W为作 用在索元上的风压引起的总风力。 可以导出桅杆结构的非线性静力平衡方程 [彭]f△“)={,‘”“’)一{尺“’}十∑[爿】,{∥”“’},+∑[一】,{/:…1), (2) 飞金项目: 福建省教育厅科技计划项目(JB-02092) 作者简介: 韩建斌(197811).男.榻羹省莆田人.结构工程硕士研究生 ‘工程力学》增刊2003年 式中,[棚为杆元和索元的组合刚度矩阵;[爿】,为第i个索元的交换矩阵。 求解式(2),首先计算在纤绳初拉力和自重作用F桅杆的受力情况,之后在风荷载的一系列增量作用 F,采用弧长法计算结构的荷载一位移曲线和非线性稳定极限承载力。 3】【41 2.2特征值屈曲I 研究特征值问题: (【足]+五陋]){∽=0 (3) 式中,[K]为刚度矩阵;[S】为应力刚度矩阵;{杪}为位移特征矢量;五为特征值(也称比例因子或载荷 因子)。 利用上式可确定结构的分叉点,分叉点是指两条或多条载荷一变形曲线的相交点。具有分叉屈曲的结 构在达到屈曲载荷之前,其位移一载荷曲线表现出线性关系,在达到屈曲载荷之后,曲线将沿其它路径。 特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度(歧点)。但初始缺陷和非线性使得很多 实际结构都不是在其理论弹性屈曲强度处发生屈曲,因此,特征值屈曲分析经常产生非保守结果。由于特 征值屈曲不考虑任何非线性和初始扰动,因此它只是一种学术解,利用特征值庙曲分析可以预测出屈曲载 荷的上限。 2.3非线性屈曲 非线性屈曲分析是在大变形影响开关打开的情况下(NLGEOM,ON)所作的一种静力分析,该分析过 榉一直进行到结构的限制载荷或最大载荷出现。 本文用修正的Newton.Raphson迭代法,逐渐增加载荷步的非线性静力分

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