适用于自由曲面网格结构新型装配式节点的试验与分析研究

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在自由曲面网格结构中,对节点形式的要求除了有足够的强度和刚度,还要能够适应自由曲面网格复杂的定位与多变的空间几何关系。本文根据自由曲面网格结构的特点,提出了一种适应自由曲面网格结构的新型装配式节点形式。   通过借鉴几何造型学和计算机图形学的已有进展,本文讨论了利用现有计算机辅助设计软件对自由曲面进行各向同性三角形网格划分优化的方法。本文总结了空间解析几何中点、线、面的相互关系,使用MATLAB编制处理自由曲面网格节点几何信息的程序,为使用常规计算分析软件对自由曲面网格结构建立计算模型提供准确的定位信息。   新型装配式节点能够很好的适应自由曲面结构中杆件汇交时复杂的空间关系,节点部分的焊接作业可全部在工厂完成,现场只有螺栓安装,在保证节点强度和可靠度的同时,降低了劳动强度,提高了施工效率。按照“强节点、弱构件”的节点设计理念,提出了“节点的弯矩承载力大于杆件最大弯矩承载力,节点抗剪承载力与杆件等强”的设计原则,并依此对试验节点试件进行初步设计。   为了直观了解新型节点在荷载作用下的受力性能、承载力与破坏机理,本文使用了自由曲面网格结构的一个典型状态制作节点试件进行足尺试件。新型装配式节点在实际加工制作中可以通过切割、焊接等基础加工工艺完成,说明不使用精密机械加工也可以实现适用于自由曲面网格结构复杂空间关系的节点制作。试验结果表明,新型装配式节点利用高强螺栓抗剪承载可靠,传力机制明确,试验验证了这种节点形式的合理性和可靠性。按此方法设计的新型节点形式具有足够的安全储备,满足“强节点弱构件”的要求。   本文对提出的新型节点建立了ANSYS有限元模型,考虑大变形影响,采用Von-Mises屈服准则的理想弹塑性材料,结合使用罚函数法和增广拉格朗日法模拟接触行为,计算模型能够较好的模拟节点区域的复杂受力状态,计算结果与试验结果基本吻合。利用欧洲规范3中的组件法和KishiChen的幂函数模型的结果与有限元计算结果进行对比,证明能够通过该方法描述新型装配式节点半刚性连接的非线性,为新型装配式节点的实际应用提供了计算依据。
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