一种荷载缓和体系计算的虚拟应变法制造技术

本发明专利技术涉及一种荷载缓和体系计算的虚拟应变法。本发明专利技术将单元的应变值在每一荷载步计算完成后重新赋为初应变值∈↓［０］，并且在每一个荷载步计算后记录结构变形的形状，作为下一荷载步计算的初始模型。本发明专利技术通过对索单元初应变进行虚拟设置并在每一荷载步中对单元的应变加以控制，使单元内力在计算过程中基本保持不变且为初内力值，较好地模拟了荷载缓和体系的运行过程，实现了对由索组成的荷载缓和体系的计算分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于虚拟应变计算方法，尤其是一种荷载缓和体系计算的虚拟应变法，属于超大变形荷载缓和结构体系的计算理论研究领域。
技术介绍
随着我国国民经济迅速发展，大型体育场馆、会展中心的建设为大跨度空间结构的应用提供了良好的契机，尤其是索杆张力结构体系成了当前研究和工程尝试的热点，一系列由索杆组成的张力结构得到不断的提出，如索网结构、索桁架结构、索穹顶结构和索膜结构等。另一方面，结构的外部作用(外荷载、地震等)具有偶然性和随机性，通常所考虑的活荷载还包括某些只在短期内出现、甚至在结构的整个使用年限内也不一定出现的荷载，如特别大的雪荷载。考虑以上的结构储备后，其承载能力在服役期间的大部分时间内将得不到充分发挥，甚至永远被“埋没”；而从安全角度考虑，这种储备又是不可缺少的。这一矛盾在以自重轻为特点的张力结构中更为突出，因为在整个结构包括其锚固体系的承载能力中，上述安全储备所占的比例比其他形式的结构更大。面对目前研究日益广泛的张力结构体系，结合其自身的特点，研究一种能够随着外部作用变化而对结构自身进行调节，最终达到自适应和自调节功能的结构一直是人们的一个美好梦想。上世纪80年代英国学者提出了荷载缓和体系(Load Relieving System)的概念，并将其应用于一个索网结构的垃圾场中，引起了人们的关注。荷载缓和体系(Load Relieving System)是一种新颖的设计概念，通过在结构中引入一种可动装置，当外荷载发生变化时，改变自身结构的形态以实现自我调节和自我保护。荷载缓和体系具有如下的特点(1)荷载缓和体系的变形量不同于一般的刚性结构。刚性结构在外荷载下的变形是微小的，基本可以用原来位置代替，但荷载缓和体系是通过改变自身结构形状(位置)来实现自我调节，因此其变形量将是显著的。(2)荷载缓和体系的变形量不同于一般的柔性结构。柔性结构在外荷载下受力状况虽然需考虑变形的影响，以变形后的位置作为参考，但是其变形量与荷载缓和体系相比仍是小量级的。因为荷载缓和体系在调节过程中，其过程类似于机械结构发生的运动。(3)荷载缓和体系是通过改变自身形态来承担更大的外荷载，这是荷载缓和体系不同于一般结构的根本区别。荷载缓和体系之所以能够承担更大的外荷载，就在于其通过改变自身的形态，成为更适于承担这种外荷载的结构。(4)荷载缓和体系从诞生以来就与张力结构紧密结合在一起的。张力结构中索单元的优越特性为荷载缓和体系的运行提供了基础，张力结构中显著的几何非线性为荷载缓和体系的运行提供了广阔空间。(5)荷载缓和体系的自我调节其实是一个不断满足力学平衡的过程。荷载缓和体系中，索的内力变化不大，因此自动满足变形协调条件，其调节过程类似刚体运动，不需考虑单元的材料属性。荷载缓和体系的概念从提出至今很少有人进行研究，还只是停留在美好设想的阶段，没有取得突破性的进展，只体现在计算理论的研究上。自从数值计算方法开始研究以来，考虑几何非线性的有限元方法一直是研究最为广泛、深入，也是人们了解结构特性最主要的手段，在计算领域已取得了辉煌的成就。但是，荷载缓和体系与一般的张拉结构相比，其几何非线性更为强烈，变形和位移之大远远超出了通常所说的结构“大变形”和“大位移”的范围。无论是采用两节点的索单元还是五节点的索单元，都面临一个要处理索滑移的问题，而非线性有限元在处理索滑移方面存在较大困难；对于冷冻-升温法和拉力分配法也都存在未能考虑摩擦影响等问题，因此，非线性有限元理论在荷载缓和体系中的应用就一直没有得到很好的解决。动力松弛法是J.Otter于1964年提出，并将其应用于核反应堆外壳的分析。从此，这一方法在结构分析中得到了广泛的应用。1970年，A.S.Day和J.H.Bunce首次将其应用于索网结构的分析，其后就被人们广泛应用于膜结构找形中。动力松弛法核心就是，将一个在空间离散化了的结构体系的振动过程在时间上也离散化，通过虚设结构的质量和阻尼，逐点(空间上)、逐步(时间上)地追踪体系的振动过程，同时对结构体系的动能进行处理，以达到计算分析的目的。动力松弛法主要优点是无需形成和求解整体刚度方程，因而可以节省计算工作量和减少内存要求，适用于索网、膜之类具有高度几何非线性结构的分析研究。但如何以简便易行的方法优化参数以求得最快的收敛速度，仍然是一个值得研究的问题。能量搜索法是广泛应用于索、桁架、壳体等有明显非线性特征的结构中的计算方法，刘锡良教授将其引入荷载缓和体系中，并通过实验验证了这种方法的可行性。能量搜索法就是通过计算各个单元在考虑几何非线性下应变能，最终形成结构的整体势能，并对结构进行部分特殊处理，根据势能最小原理进行求解。这种方法概念明确，有利于了解荷载缓和体系的工作本质，但是无法直接得到其中各单元的内力状况。综上可见，虽然计算方法在荷载缓和体系中得到了多方面的尝试和不同程度的研究，但各种方法也都有其不足，要找到一种完全合适、效率高的计算方法仍然是值得探索研究的。
技术实现思路
本专利技术就是针对现有技术的不足，提出一种荷载缓和体系计算的虚拟应变法。本专利技术的具体计算步骤如下(1)虚拟设置单元初应变∈0，并根据已知的初始内力N和截面面积A，由公式(1)计算出其他单元的弹性模量E；N＝∈0×E×A(1)(2)选取荷载增量ΔP，将外荷载P分为n＝P/ΔP个荷载步，并在结构上施加荷载ΔP；(3)进行一个荷载步作用下结构的内力分析计算，得到结构受力后的变形形状；(4)计算完后记录保存单元变形后的形状，作为下一荷载步的计算模型；(5)将单元的应变重新设为∈0，并在上一个荷载步的基础上叠加荷载增量ΔP，作为下一步的计算荷载；(6)重复(3)～(5)步，直到满足精度要求计算结束。本专利技术公布的这种荷载缓和体系计算的虚拟应变法是建立在非线性有限元分析理论之上的，用非线性空间铰接直线单元模拟索单元。由有限元理论，可以得到索单元的基本平衡方程为Ke0dUe+KegdUe+KeddUe-dPe=0]]>式中Ke0=A∫LBLTEBLds,]]>物理意义为单元的线弹性刚度矩阵，反映的是单元材料属性、截面几何特性对结构刚度矩阵的影响，其主要受单元截面积A和弹性模量E的影响；Keg=A∫LATσ0ds,]]>为单元的几何刚度矩阵，反映的是当前单元内力，也就是索单元的初始内力对结构刚度贡献的部分；Ked=A∫L(BNLTEBL+BNLTEBNL+BLTEBNL)ds,]]>为单元的初位移刚度矩阵，反映的是单元节点的初始位移提供的结构刚度部分。施加了初内力N0的索单元，单元内力N可以用下式表示N=N0+Ke0dUe+KegdUe+KeddUe]]>在有限元程序中，索的初内力可通过对索单元施加初应变来实现。为实现索内力在结构运行过程中保持基本恒定，同时能模拟结构的大刚体位移，可虚拟地将单元的截面积和弹性模量之乘积EA设为小值，而将初应变∈0设为相对大值，但保证单元的初内力值不变。由于切线刚度矩阵Ke0主要受EA的影响，因此虚拟设定后Ke0的值为相对小值。选择足够小的荷载增量ΔP，采用多次逐步加载的荷载施加方式施加荷载。如果荷载增量ΔP与索的初始内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种荷载缓和体系计算的虚拟应变法，其特征在于该方法包括以下步骤：（１）虚拟设置单元初应变∈↓［０］，并根据已知的初始内力Ｎ和截面面积Ａ，由公式（１）计算出其他单元的弹性模量Ｅ；Ｎ＝∈↓［０］×Ｅ×Ａ（１）（２）选 取荷载增量△Ｐ，将外荷载Ｐ分为ｎ＝Ｐ／△Ｐ个荷载步，并在结构上施加荷载△Ｐ；（３）进行一个荷载步作用下结构的内力分析计算，得到结构受力后的变形形状；（４）计算完后记录保存单元变形后的形状，作为下一荷载步的计算模型；（ ５）将单元的应变重新设为∈↓［０］，并在上一个荷载步的基础上叠加荷载增量△Ｐ，作为下一步的计算荷载；（６）重复（３）～（５）步，直到满足精度要求计算结束。

【技术特征摘要】
1.一种荷载缓和体系计算的虚拟应变法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)虚拟设置单元初应变ε0，并根据已知的初始内力N和截面面积A，由公式(1)计算出其他单元的弹性模量E；N＝ε0×E×A(1)(2)选取荷载增量ΔP，将外荷载P分为n＝P/ΔP个荷载步，并在结构上施加荷载ΔP；(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：高博青，杜文风，吴会鹏，彭伟贤，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]