有限元失效分析Plate-Cone GFRP层压制品的网壳结构

文摘

Plate-cone网壳结构是一种新型的空间结构具有良好的力学性能、技术经济、建筑外观。本文使用ANSYS软件,建立了复合材料层合板的强度失效分析模型在合作霍夫曼的强度准则。层数的影响,铺设方向,复合材料的强度极限厚度复合材料研究了详细的参数分析,它提供了一种理论依据复合plate-cone网壳的设计和GFRP层合板。得到了一些重要的结论,可以应用于工程实践。

1。介绍

Plate-cone网壳结构是近年来一个新兴的空间结构,开发基于Kaiser铝承力表层圆顶。锥的结构组装元素和桁架成员,在关节使用螺栓(1)如图1和2。Plate-cone网壳结构是一种特殊类型stress-skin半连续性和半结构晶格自腹成员(腹侧和底部成员)成员共同双层网壳的锥元素所取代。锥板可以制成的传统材料,如铝合金和钢或轻型复合材料如碳纤维增强聚合物(CFRP)或玻璃纤维增强聚合物(GFRP)。Plate-cone网壳结构是一种有效的结构,可以充分利用板的强度和刚度。同时,它集承重、外壳和装饰成一个整体。由于高强度重量比,良好的技术和经济效益,和独特的建筑视觉效果,plate-cone网壳结构已经被广泛地应用于大跨度空间结构(2,3]。plate-cone网壳的想法是源于凯撒铝承力表层圆顶。第一个皇帝铝承力表层圆顶是建立在夏威夷的火奴鲁鲁,美国,1957年的跨度44.2米(4]。迄今为止,还有许多其他铝承力表层圆顶已建成的学校、银行、城市中心、会议厅等,如三Temcor铝穹顶体育场与跨度71米埃尔迈拉大学,纽约,和航空公司圆顶60米跨度阿姆斯特丹史基浦机场,荷兰(1]。自1990年代以来,玻璃钢等复合材料已被越来越多地用于土木工程(5]。因为玻璃钢更轻,比普通钢和铝合金,它更倾向于作为预制锥元素plate-cone网状外壳。

许多研究已经进行了与传统的单层或双层网圆顶。其中,风扇等。6]研究了七种类型的弹塑性稳定性常用的单层网壳。熊等。7)调查与铝合金单层使成格子状壳的弹塑性稳定加固关节。Hiyama et al。8)调查了全球屈曲行为的铝合金双层空间使成格子状结构与管式管道、球连接,连接螺栓通过实验和分析。谢和李9]研究了铝合金双层网壳结构的固有振动特性与各种结构维度。智et al。10]研究了单层网状穹顶的失败机制受到地震载荷。翟et al。11)进行网状的穹顶爆炸载荷作用下的动态响应分析利用有限元(FE)软件ANSYS / LS-DYNA研究损伤模型和损伤评估。林等。12)研究了一个网状的圆顶的失效模式在一个小飞机。

上述的研究大多集中在同质材料的网状穹顶的结构行为。相比之下,研究GFRP层压制品在plate-cone网壳结构是有限的,其中可观的(13]研究了结构使用双层塑料金字塔的空间网格,王先生和王14]研究GFRP的初步应用在plate-cone plate-cone网壳和分析网壳结构作为一个整体,材料设计和结构设计还没有完成。复合材料具有一些独特的机械性能,如各向异性、不均匀性、较低的层间剪切模量和层间剪切强度低,几何非线性和材料非线性。这些力学特性使得这个问题更加复杂和具有挑战性的比常规材料均匀、连续、线性弹性,各向同性。因此,有必要研究的行为和强度复合plate-cone网壳结构玻璃钢复合材料。

在本文中,基于复合材料力学和板壳理论,弹性主方向的压力plate-cone单层板的网壳结构用有限元分析计算。然后,每一层的终极力量在每个加载步是通过霍夫曼的强度准则,破坏载荷的第一个失败的层积层板(定义为第一层强度)和最后失败的层的破坏载荷(定义为最后一层强度)和评估。复合材料层合板的强度和主要影响因素研究了全面、深入的设计提供了理论依据与层合板复合plate-cone网壳。

2。GFRP复合材料的失效分析

一般来说,在复合材料中,纤维取向在每一层都是不同的。在某些情况下,甚至在不同层材料性质和厚度是不同的。因此,每一层纤维的抗外部负载是不同的。不大可能的所有层纤维达到极限强度和失败同时在某些外部负载。相反,分层的失败往往从最低层开始,一层一层地传播。

单层复合材料板的不同强度准则提出了不同的情况。强度的标准Tsai-Hill没有考虑不同抗拉强度和抗压强度的影响在材料失效。霍夫曼认为差异与抗拉强度和抗压强度的因素,提供一些线性条件如下所示(15]:

考虑到orthotropy单层板的平面应力状态,罗伯特的强度标准15方程所示(2)是由方程(1): 在哪里F失败的价值和吗F≥1.0意味着材料发生故障。 , , , ,和年代的基本力量是单层玻璃钢层压板可从物料性质测试,获得和的主要压力是主要方向,然后呢最大剪应力。

进行失效分析,正常的压力 每一层的分层沿参考轴的元素的坐标x,y,z首先计算。因为每一层的分层的角度是不同的,每一层的法向应力计算可能不遵循弹性的主要方向。为了执行强度失效分析,正常的压力 元素的坐标系统下的分层应该是变成了主应力 沿着主方向弹性层的利用方程(3)。然后,每一层的强度计算的强度准则霍夫曼方程所示(2)。

为了获得每一层的层压制品的正应力,plate-cone网壳的非线性静态分析逐步加载使用商业有限元软件ANSYS进行了。然后,得到单层板的主应力根据方程(3)。每一层的终极力量在每个加载步是通过霍夫曼的强度准则,和第一个失败的最终强度层(定义为第一层强度)和最后失败的层的极限强度(定义为最后一层强度)进行了分析和评价。

应该指出,第一层失败的力量通常被认为是复合材料层合板的极限强度的工程设计,所以造成的层板的刚度降低某一层的失败通常不被认为是结构分析。然而,最后失败的终极力量的强化也计算在本文为了评估之间的时间间隔的终极力量第一层和最后一层。这是关键,必须确定一个合理的复合层的设计,它的特点是充分利用复合材料的潜力。

3所示。有限元分析

3.1。模型的几何和材料特性

与四边形的金字塔plate-cone圆柱形网壳结构使用有限元分析研究,如图3。张成的空间结构年代= 30米,长度l= 45米,向量高度F= 10米,厚度h= 1.5 m。顶部连接的钢管桁架成员Φ108×5.0毫米,和锥是正交对称的三角形板GFRP层合板,由四层总厚度等于8毫米的分层。矩阵的每一层由玻璃/环氧树脂,和层合板的铺设方式[0/90]°_年代,即,the orientation of fibers are 0° in the first and the fourth layers and 90° in the second and the third layers. The material properties of the GFRP plates are listed in Table1。钢管是理想弹塑性材料弹性模量E= 206 GPa,屈服强度f_y= 235 MPa,泊松比μ= 0.3。

3.2。有限元模型

复合plate-cone网壳的有限元分析模型只有高级会员,没有底成员和中层成员,采用。模型考虑了关节的前成员铰链和底部关节僵硬(如图2)。在ANSYS模型中,空间桁架元素Link8 2节点和6自由度用于模型顶部桁架成员,和有限应变壳元素Shell181 4节点和24自由度模型三角形板元素。了适合分析说明该元素类型分层复合结构材料的性质是不同的在不同的层16- - - - - -18]。

底部节点的平移位移沿两个纵向边缘被限制在三个方向。均匀分布的垂直负载2 kN / m²应用垂直于外壳表面。结构的自重也被认为是。图4显示了plate-cone圆柱形网壳结构的有限元模型,其中包含326个节点,600壳元素,和275链接元素。

3.3。数值结果

的位移和内力plate-cone柱面网壳结构。图5显示了plate-cone网壳的垂直位移。数据6和7目前高级成员的轴向力和分层。数据8和9在每一层的分层显示的压力。

从图5可以看到,它的最大位移plate-cone网壳结构是6.18毫米。最大位移的比例结构的跨度是1/4854,这表明,复合plate-cone网壳结构具有很大的刚度与传统钢plate-cone网壳结构。

从数据6和7可以看出,复合plate-cone网壳结构具有相同的规则静态内力分布的普通钢plate-cone网壳结构(19,20.]。高级成员的最大轴向压缩力−32.732 kN,和的最大轴向压缩力板是-51.055 kN。每一层的层压制品的强度计算根据方程(2)和(3)fd2。结果表明,第一和第四层的强度为0.007029,复合材料的强度复合材料层合板的第二和第三层是0.071455。因此,复合plate-cone网壳结构有显著的残余强度。然而,内力分布不是均匀层分层,因此有必要分析合理敷设设计的分层复合plate-cone网壳。

4所示。参数化分析

4.1。强化层的数量的影响

为了评估各种设计参数的影响在GFRP层压制品的行为,一个是使用上面建立的有限元模型进行了参数分析。首先,的数量的影响层压板层每一层的强度进行了研究。有两组铺设模式本plate-cone圆柱形网壳结构中使用。第一组是由复合材料纤维的90°,0°:[90/0/90](模式1),[90/0]°_年代(模式2),[90/0/90/0/90](模式3),90/0/90°_年代(模式4),模式1到4层压层的数量是3到6,分别。第二组是由分层和纤维的−45°和45°+:[45 + 45 /−−45](5)模式,−45 / + 45°_年代(模式6),[45 / 45 + 45 /−−−45 + 45)(7)模式,和(+ 45 /−45 + 45)°_年代(8)模式和层压板层模式5到8的数量也是3到6,分别。一个原理图显示在图展示了不同的模式10。复合材料层合板的总厚度是8毫米在所有情况下,每一层的厚度是相等的。

数据11和12秀网壳结构的极限强度由第一组(模式1∼4)和第二组(模式5∼8)的复合材料,分别。

从数据可以看出,复合层的数量微不足道的影响复合材料的破坏载荷plate-cone网壳与四边形的锥铺设方式和总厚度相同。以第一组为例,发现第一个失败与纤维层分层的层的90°发生在90°方向的纤维,而最后一层的失败发生在0°方向的纤维。第一层强度和最后一层强度几乎相同,尽管层的数量是不同的。第一层强度和最后一层强度分层的模式与四层(即。,laying mode 2) are only 8.16% and 4.75% greater than that of the mode with three layers of laminates (i.e., laying mode 1), respectively. Therefore, it can be concluded that the influence of the number of layers on the ultimate strength and failure sequence of each layer of laminates can be ignored if the total thickness of the GFRP laminates is the same. Considering the material cost and time consumption, it is recommended that the layer number of laminates should not be too much, and the total layer number of laminates is suitable to be 4 layers.

4.2。铺设方向的影响

层压制品的铺设方向是另一个层压制品的关键参数。因为铺设结构是不同的,也就是说,如果订单层压板是不同的,每一层的层压板的强度极限为同一材料甚至可能是完全不同的系统。因此,对于复合plate-cone网壳结构,研究铺设方向对层压板的强度的影响是十分必要的,在实践中具有十分重要的意义。

为了讨论铺设方向的影响结构的强度,八种铺设方向的力学性能(总厚度是8毫米,每一层的厚度是均匀的)使用有限元分析计算。霍夫曼的结合强度准则,极限强度和失败的层分层序列。具体结果如表所示2。

它可以从表中找到2层压的铺设方向对结构的强度有很大的影响。它也可以观察到(1)plate-cone网壳的极限强度与不同敷设方式是不同的。第一层强度的分层铺设方式[0/90]°_年代和[90/0]°_年代26.6 kN / m²,而最后一层强度约为130 kN / m²。然而,对于分层铺设方式的−45 / + 45°_年代和+ 45 /−45°_年代同时,所有的四层几乎失败,和破坏载荷约为44.5 kN / m²。(2)层的故障序列也是不同的。第一个失败层分层铺设方式[90/0]°_年代,(+ 45/0)°_年代,90 / + 45°_年代第一和第四层,而最后失败的层第二层和第三层。然而,对于分层铺设方式[0/90]°_年代[0 /−45°_年代,(+ 45/0)°_年代,层的故障顺序正好相反,也就是说,第一层第二层和第三层失败,最后失败的层第一和第四层。对于分层铺设方式−45 / + 45°_年代和+ 45 /−45°_年代同时,所有四层失败。(3)强度间隔第一层强度和最后一层强度也不同。对于分层铺设方式[0/90]°_年代和[90/0]°_年代第一,有最大的力量间隔力量和最后的力量。之间的比率的最后一层强度和第一层强度分层铺设方式[0/90]°_年代和[90/0]°_年代,(+ 45/90)°_年代和+ 90 / + 45°_年代,(+ 45/0)°_年代和+ 0 / + 45°_年代分别是4.89,2.95和1.27。和对分层铺设方式−45 / + 45°_年代和+ 45 /−45°_年代四层,所有的失败,与此同时,所以没有力量之间的间隔层强度和第一层强度。

基于上面的分析,可以得出结论,层压板的铺设方向是一个关键因素影响GFRP层压板的强度极限的复合plate-cone网壳。

4.3。层厚度的影响

为了研究厚度的影响复合材料的极限强度的复合材料,层压制品的参数分析个人不同的总厚度和不同厚度的层。锥元素的三角形板是采用不同的铺设设计,即。铺设方向都是[90/0]°_年代,但层的总厚度,每一层的厚度是不同的。摘要六种复合材料的力学性能与不同的模式(见表3)计算,结构的极限强度均匀分布载荷下通过结合霍夫曼的强度准则;更详细的结果如表所示3。

从表3可以看出,复合材料层合板的厚度对极限强度有重要影响的层压制品plate-cone网状外壳。每一层的厚度的变化,第一层结构的强度和最后一层强度明显不同。一般来说,第一层和最后一层的优势将会增加总厚度的增加和第二和第四层的厚度。它也可以发现,与总厚度的变化,强度第一层之间的间隔层压制品的强度和最后一层强度略有变化。最后一层之间的比例极限强度Q2和第一层极限强度Q1约5。

5。结论

每一层的强度玻璃钢层压板的主要控制因素之一复合plate-cone网壳的设计。本文使用ANSYS软件,建立了复合材料层压板的强度模型使用霍夫曼的强度准则没有考虑刚度退化的分层。层数的影响,分层的铺设方向,厚度极限强度参数的复合材料进行了研究分析。基于数值分析的结果,可以得出以下结论:(1)在复合plate-cone网壳结构,强化层的数量的影响强度极限和失败序列每一层的层合板是可以忽略不计。考虑其他因素,如材料成本和时间消耗,建议层压板的总层数为四层。(2)铺设方向的一个关键因素影响的复合材料层压板的强度极限plate-cone网壳结构。铺设方向对极限强度的影响和力量间隔是显著的。应该充分利用实际工程设计中实现合理的层压板强度区间,为充分利用复合材料的潜力和优势。(3)复合材料层压板的厚度的影响层压板的强度极限是重要的。第一层强度和最后一层强度会增加总厚度增加,和第二和第四层的厚度增加。但强度区间上的总厚度的影响可以忽略不计。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突。

确认

财政支持中国的国家自然科学基金。这项研究是由中国国家自然科学基金批准号。51678313和51678313,山东省泰山学者计划,中国批准号tsqn201909127。

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