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承受多荷载工况的大跨度空间结构模型分析及其优化

1 结构设计构思与选型

1.1 结构设计构思

采用简约而不简单的结构形式,需受力明确、传力路径短,长压杆要有双侧支撑以提高其稳定性。“简约而不简单”是指构件所采用的结构形式简约,尽可能地节约材料,发挥材料的力学性能,提高结构的可靠度,进而满足结构功能的需求。同时考虑结构与艺术间美的平衡,结构本身富有的美学表现力[1],符合自然规律的美感。

1.2 结构选型对比

通过对多荷载工况的结构设计分析,综合考虑模型的结构强度、刚度、稳定性和结构重要结点等方面,以结构最简最优,内力简单明确为基本原则,以安全第一、明确荷质比最大化及结构的美观为目标,优化模型结构,使传力路径更为直接,结构能更好地承受竖向对称荷载、竖向偏载及水平荷载,实现空间结构的经济和高效[2]。表1简述了模型选型的过程。

最终2#试验井下入直径820 mm井管加滤水管51 m,其中滤水管长度为24.08 m,滤水管类型为桥式滤水管。3#试验井下入直径530 mm套管及滤水管54.07 m,其中滤水管长度为30.07 m,滤水管类型为桥式滤水管与缠丝滤水管相结合。

总结:综合对比,由于选型3荷质比最高,且可以更可靠安全地完成6种工况的加载试验,最终选用选型3进行下一步研究。

2 结构建模及参数确定

本结构采用Midas Gen进行结构建模及分析。

3.4 孕妇对口腔健康知识的需求途径 通过问卷调查得知,有82.00%的孕妇希望从口腔专业人员获取口腔健康知识,有48.13%的孕妇希望从妇产科医生获取口腔知识,仅有10.21%的孕妇希望通过媒体获取知识,可见口腔专业人员和妇产科医生肩负的责任之重大。

2.1 Midas Gen结构模型

2.1.1 基本假定

表1 模型选型过程

过程选 型选型1 选型2 选型3实物图

破坏位置
模型破坏结点 长斜杆刚度不足 脚柱出现失稳弯曲改进方法 提高拉索和拉条的强度 采取在长斜杆内外侧设计张弦 提高脚柱抗压强度与抗弯刚度优点 制作工艺较简单 ①模型传力路径更明确;②通过打钉把模型固定在承载板上,解决了水平推力分配不均而引起水平位移不均匀变形这一问题①内外圈加载点互为相关结点,传力路径明确[3];②模型杆件少,在制作时间内可较高质量的完成杆件制作与模型拼接;③模型自重轻,能可靠地承受6种满载工况缺点 ①传力路径复杂;②附加连系多,使模型的荷质比较低。斜杆的长度大,易失稳;③在节点制作时,力的传递方向难以精准汇于一点存在比较长的斜杆,容易造成压杆失稳 模型杆5件中含有长压杆,容易造成压杆失稳

为简化分析,在建模分析过程中,采用了以下假定。

(1)采用结点荷载来模拟加载荷载;

(2)所有构件均在弹性范围内工作。

2.1.2 有限元模型的建立

然后,这些广泛分布的评论文本、评分等级等大量信息碎片预处理结果存入ERP数据库后,自主开发的自动一致性系统将以上编码后的客户偏好数据进一步规范化、合并与封装为能对多种产品进行综合评价的80个不同的、独立的信息粒度,其中,每个信息粒度均分别包含有对4个产品的评论内容。因此,每个信息粒度可看作等同于一个用户分别对4个产品的进行评论。自主开发的自动一致性系统定义每个信息粒度表示为相应虚拟个体决策专家,并自动生成个体专家的初始权重,再将已定义生成的80个体决策专家进行分组并生成各组的初始权重,分组统计的结果可从ERP数据库中查询获得,表3所示。

由于本结构涉及杆件较多,为多次超静定结构,通过手算难以获得准确的结果。为此,根据结构形式、杆件截面以及材料属性等设计参数,在分析程序Midas Gen中建立结构分析模型。在模型中,杆件之间的结点连接采用理想刚性连接。在Midas Gen中建立的模型如图1所示。(重力加速度取9.8m/s2

2.2 结构分析中的主要参数

在Midas Gen分析软件中,进行了如下的定义。

(1)材料部分:对材料参数定义见表2;

图1 Midas Gen建立的有限元模型

(2)几何信息部分:各构件截面及尺寸按实际输入,其中柱脚采用了变截面箱型锥形杆,其它主要杆件采用了箱型等截面杆;

2001-2012年海南省接待入境旅游者的平均停留天数总体呈波动上升趋势,其排名在二十位上下波动。平均停留天数从2001年的5.95天增长至2012年的7.95天,低于全国平均值。接待外国、港、澳游客平均停留天数总体呈波动上升趋势。外国游客平均停留天数增长了1天,港、澳游客平均停留天数增长不大,但增长速度较快,台湾游客平均停留天数呈波动下降趋势。

表2 材料参数

密度/(g·cm-3)弹性模量/GPa顺纹抗拉强度/MPa顺纹抗压强度/MPa泊松比0.8 6 60 30 0.31

(3)荷载模式部分:定义为结点荷载。第一级荷载定义为8个50N的对称结点荷载;第二级荷载定义为4个60N的非对称结点荷载;第三级荷载定义为80N的水平结点荷载;

(4)约束支座部分:在结构支座结点处施加了固定铰结约束。

3 模态分析

由于有6种随机二级偏载,且结构需要在一、二级荷载作用下承受水平荷载,因此为了更简洁地进行内力计算,定义以下6种随机工况,6种随机工况均包含相同的第一级对称荷载,如图2所示。在内力计算时,需要分别进行轴力分析、应力校核、弯矩分析与变形分析。此处以B工况为例展开分析。

图2 6种随机工况

6种工况的模型结点、单元编号如图3所示,其中10号结点为三级水平荷载加载点。以下工况的受荷分析中采用的结点、单元编号与图3一致。

所有数据应用SPSS 17.0进行统计学分析,计数资料以频数及百分率表示,组间比较采用χ2检验,计量资料以均数±标准差表示,组间比较采用t检验,以P<0.05为差异有统计学意义。

图3 模型单元、结点编号

3.1 内力分析

(1)轴力分析。经过分析,其轴力情况如图4所示;

图4 B工况轴力图

(2)弯矩分析

经过分析,其弯矩情况如图5所示;

图5 B工况弯矩图

(3)内力分析结果

在B工况中,由内力图可知,最大轴力出现在模型承受三级90°荷载时的57号单元,最大弯矩出现在模型承受三级90°荷载时的52号单元。每一级荷载对应的最大内力值如图6的内力折线图所示。

图6 B工况内力折线图

由图6可知,弯矩最大值(104.7N·mm)出现在三级荷载90°时,轴力最大值(-172.5N)出现在三级荷载90°时。单从内力来看,在三级荷载90°时模型是最危险的。在B工况下,结构弯矩较大,需保证构件制作质量,并做好结点保护。

3.2 变形分析

由变形分析结果可以得知:最大结点位移出现在模型承受三级90°荷载时的10号结点,其位移为1.441mm。各级荷载作用产生的最大结点位移如图7所示。

图7 B工况各级荷载最大结点位移

3.3 承载力分析

应力情况如图8所示。

各级荷载作用产生的最大应力,如图9所示。

(二)心理虚构。传统的传记文学写作为了保证传记的真实客观,主要描写人物的外在行为,几乎不涉及人物的内心世界,这使得传主的个性被忽视。随着传记文学的现代转型,传记家在事实的基础上开始将人物的心理穿插在叙事中,从心理的角度再现特定环境下人物的情感和内心世界,使塑造的人物形象闪现着人性的光彩。

由B工况应力校核结果可知:最大压应力出现在模型承受三级荷载30°时的52号单元,如图10所示。最大拉应力出现在模型承受三级90°荷载时的55号单元,如图11所示。

图8 B工况应力图

图9 B工况各级荷载最大应力

图10 52号单元应力图

图11 55号单元应力图

综上所述,对6种随机工况的建模分析展开对比讨论。

轴力对比分析:重点研究三级荷载,由图12可知,最大轴力出现在C工况三级荷载0°时。A,C,D,E,F工况轴力峰值均出现在三级荷载0°。其中D,F工况轴力变化较为稳定。B工况轴力逐渐递增,在三级荷载90°时取得最大值。C工况轴力变化起伏比较大,这对结构稳定性有一定影响。单从轴力来看,C工况最为危险,B工况次之,F工况最为安全。

应力校核对比分析:由图13可知,在二级偏载时,应力比较接近。最大应力出现在C工况三级荷载0°时。B,D,E工况应力变化不断起伏,但比较稳定。C工况应力变化起伏比较大。F工况应力变化平稳且数值比较小。单从应力来看,C工况最为危险,B工况次之,F工况最为安全。

2.2 通过理解与思辨,激发“深度学习” 鼓励学生在理解的基础之上进行批判性学习,建立鼓励批判和质疑的评价机制,使学生在思辨中加深对知识的理解,通过表象看到问题的本质,在师生和生生质疑中催生高阶思维,学生在思辨中增加思维的深度和思维的广度。在思维的发散过程中能实现新旧知识的关联及有机整合,从而实现知识的有意义建构。在理解基础之上的思辨还能实现知识的迁移与应用,在实际问题的解决中更能让能力得到有效的提升[3]。

图12 轴力对比图

图13 应力校核对比图

弯矩对比分析:由图14可知,在二级偏载之后,B工况的弯矩明显比其他工况都要大得多,最大值出现在三级荷载90°时。最小值出现在F工况三级荷载30°与60°。A,C,E工况弯矩变化幅度比较小。单从弯矩来看,B工况最为危险,D工况次之,F工况最为安全。

图14 弯矩对比图

剪力、位移对比分析(如图15~图16所示):剪力与位移都比较小,但仍需注意做好结点保护,防止结点剪切破坏而脱落。

董玘深于经学,其为学也一本先儒,不为异说,故其诗文与其经学一脉相承,法度森严,规行矩步,带有明显的经学意味。董玘的文章从本质上讲是一种经师之文。虽然他主观上也许并没有宗秦汉或宗唐宋的意图,但其诗文朴淡深奥,似从经籍中脱胎而来。明代学者沈束评价其文“虽不务奇丽铿激之声,而雅饬浩荡委曲精致则一时文人少有出于其右者”(《董中峰先生文集序》)。可谓知言。

综上所述:通过试验与计算分析可知,B工况最为危险,C工况次之,F工况最为安全。

冬天,感冒几乎是宝宝们最常得的疾病了。感冒的症状一般有流涕、咳嗽、发烧、喉咙疼等,爸爸妈妈对症做好家庭护理很重要。另外,如果病情较重,需要就医用药,爸爸妈妈也需要知道一些用药误区,以减轻对宝宝的伤害。

图15 剪力对比图

图16 位移对比图

4 结语

通过对大跨度空间结构的模型受力分析以及计算机软件模拟分析,我们对大跨度空间结构的受力特征和承载能力有了初步了解。杆件的设计与优化在保持质量的同时大大提升了模型的承载能力,使结构能够实现荷质比最优化。对现实生活中的大跨度空间结构具有工程针对性,最后通过多工况加载试验验证了结构设计的可行性以及受力分析的准确性。

参考文献

[1]傅 强,胡振宇.大跨度空间结构选型探析[J].住宅科技,2014,34(8):9-12.

[2]王仕统.衡量大跨度空间结构优劣的五个指标[J].空间结构,2003(1):60-64.

[3]李廉锟.结构力学[M].北京:高等教育出版社,2017.

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