点支式幕墙索杆结构有限元分析系统研究.doc

点支式幕墙索杆结构有限元分析系统研究    摘要:针对点支式幕墙索杆结构分析的特点,给出了点支式幕墙索杆结构的有限元分析基本流程,提出了一种包括接口层、控制层、有限元分析层、数据层的点支式幕墙索杆结构有限元分析系统的四层体系结构,给出了系统的功能体系,研究了索杆结构的初始态分析和载荷态分析的技术。开发了一套点支式幕墙索杆结构有限元分析系统,实例验证了该系统计算结果的正确性和有效性。关键词:索杆结构;有限元分析;四层体系结构;初始态分析;,这种由拉索和压杆组成的支撑结构体系因造型新颖、布置灵活、经济性能良好、结构性能优越,正逐步成为最有前景的幕墙支承结构形式之一,广泛应用于工程中。索杆张力结构的分析涉及非线性分析理论和形态分析理论,其分析过程和计算方法与传统结构有很大差别[1],分析过程复杂。目前国内针对工程中索杆结构体系,多采用手工近似计算或利用一些通用有限元分析软件如ANSYS、SAP等进行计算。手工计算存在着计算正确度不高、费时、费力等问题,难以满足点支式幕墙索杆结构体系分析要求。通用有限元分析软件的使用也存在着行业针对性不强、操作复杂、前处理繁琐、价格昂贵等问题。因此,研制开发出一套适合于索杆结构的分析计算的专业性系统以有效提高索杆结构设计效率和质量,具有一定的现实意义。国内外学者对索杆结构体系进行了若干研究。文献[2]研究了索杆张力结构可行预应力分布的求解方法;文献[3-4]分别基于力密度法和动力松弛法对索杆结构进行找形分析研究。文献[5-6]研究了结构的非线性有限元分析。上述文献都是索杆结构的分析计算研究,而关于索杆结构有限分析系统的研究却很少。本文从点支式索杆结构有限元分析整体流程出发,研发了点支式幕墙索杆结构有限元分析系统。(基本参数,约束,外载荷),并抽象简化模型。进行模型前处理分析,前处理主要包括建立模型节点坐标及生成单元,定义材料和单元截面特性,对主动索定义初应力和只拉单元,确定模型边界条件和负载条件等。模型分析计算分析,其包括索杆结构初始预应力分布计算,单元刚度矩阵计算及总刚度矩阵的装配,系统节点载荷或等效节点载荷向量的生成,方程组非线性迭代求解以及单元内力、应力、应变的计算。最后进行模型后处理,其具体内容为:计算模型单元内部位移变形、弯矩的插值,结构支反力的计算,结构的强度、刚度、挠度、稳定性校核,单元的优化,并最终以图形和计算报告书的形式呈现出来。点支式幕墙索杆结构有限元分析基本流程如图1所示。本课题得到“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAF02A03)资助。,基于AutoCAD提供的ObjectARX开发支持环境、图形处理及内核运行平台[7],完成了有限元分析的前后处理以及模型分析计算功能。系统总体设计本着良好开放性、独立性、稳定性、健壮性以及易维护性等软件开发原则,系统可分为接口层、控制层、有限元分析层以及数据层四层。系统体系结构如图2所示。图2系统体系结构①接口层:以AutoCAD图形用户界面为基础