基于ANSYS的单层球面网壳结构优化设计
基于ANSYS的施威德勒型球面网壳屈曲特性分析
基于ANSYS的施威德勒型球面网壳屈曲特性分析张宁宁1，阳雄21辽宁工程技术大学土建学院，辽宁阜新（123000）2上海十三冶建设有限公司，上海 (200092)E-mail：znn88888888@摘要：本文主要以最常见的施威德勒型单层球面网壳为研究对象, 用有限元软件ANSYS 对其进行屈曲分析。
屈曲分析分为特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。
屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷。
屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状的技术。
预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度，也即弹性屈曲分析方法，确定网壳结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态的形状。
分析结果表明：(1) 把工程结构看成是理想弹性的特征值屈曲分析明显没有考虑初始缺陷和材料非线性、大变形等非线性因素。
非线性屈曲有限元分析应用于工程分析，将更好地估计结构的临界载荷；(2) 结构发生屈曲时，其变形方式会发生分叉，但是这对结构发生失稳时的临界载荷影响很小，在工程分析中若只需要计算结构的临界载荷，则不用过多地考虑这种分叉性。
关键词：屈曲分析，特征值，强度，非线性中图分类号：TU888.81.引言近年来,网壳结构发展迅速、形式多样，网壳结构在大跨度建筑中已越来越多地被利用, 而且具有广阔的发展前景。
网壳结构在达到屈曲载荷之前其位移—变形曲线表现出线性关系，达到屈曲以后曲线将跟随另外的路径[1]。
对网壳这种大型空间结构, 当地震发生时, 由于强烈的地面运动而迫使结构产生振动, 其惯性作用一般来说是不容忽视的。
结构产生的地震内力和位移, 可能造成结构破坏或倒塌, 因此在地震设防区必须对网壳结构进行抗震计算[2]。
屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状的技术。
屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷。
它对网壳结构的稳定性能研究有着重要的意义, 这也是工程实践中急待解决的问题[3]。
单层球面网壳结构的最优设计参数研究
单层球面网壳结构的最优设计参数研究张利伟【摘要】针对单层球面网壳结构工程设计,采用满应力设计方法,选择跨度、矢跨比、网格尺寸和约束条件作为独立变量,分别对每一个变量取一系列的数值进行计算,以最低用钢量为优化目标,得出每一个独立变量的最优设计参数,与规范给出的优化设计参数进行了比较,表明得到的最优设计参数更全面、更详细,可为工程设计提出指导.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2011(037)002【总页数】2页(P31-32)【关键词】优化设计;单层球面网壳;参数;用钢量【作者】张利伟【作者单位】河南大学土木建筑学院,河南,开封,475004【正文语种】中文【中图分类】TU331 概述作为空间结构中最有代表性的结构，单层球面网壳因其结构构造简单，造型丰富，重量轻，受力合理，已经成为大跨度空间结构中一种举足轻重的主要结构形式，在工程结构中得到了广泛的应用。
与此同时，单层球面网壳的优化设计研究已经成为学界和业界研究的热点[1]。
目前对那些设计变量和约束条件较少和简单的小规模结构，其优化设计的研究比较充分，但对像单层网壳这样结构的优化研究却不多。
这主要有三方面的原因:1)在对单层网壳进行有限元分析时，约束条件复杂。
2)如果考虑几何非线性的影响，问题更为复杂。
3)设计变量和约束条件都比较多，优化分析时不易收敛到最优解。
文献[2]在单层网壳的优化过程中，虽然考虑到几何非线性的影响，但约束条件较少;文献[3]的优化模型虽有足够的约束条件，但其中的强度和稳定性约束条件不符合实际情况。
以单层球面网壳的用钢量为目标函数，按照满应力准则设计方法，通过有限元方法进行分析，对单层球面网壳工程设计中的各种参数进行优化。
满应力设计是以结构构件达到满应力准则，使杆件材料得到充分利用的方法[4]。
其设计思路就是对一个一定的结构形式，通过调整杆件的截面尺寸，从而使杆件的受力能力得到充分的发挥。
具体表现如下:对已定型的结构在多种荷载作用下，使结构在总体荷载组合的情况下各杆件最大正应力基本达到材料强度设计值，即满应力状态，此时就认为使满足结构安全可靠条件下重量最轻。
单层球形网壳结构的分析及实验研究
过程 中无法 按 照传统 的网架 结构 或薄 壳结 构设 计
规 范进 行计 算 ． 其 结 构 分 析及 力 学性 能研 究 是 当 前 空 间结构 领域 的 热点 问题 ． 笔 者 以有 限元 法 为 计 算 手 段 ， 将 网壳 的分 析 分 为流 场分 析 和结 构 场 分 析 两 部 分 ． 以单 层 球 形 网壳 结 构 的风 载 为 建模 条 件 ， 首 先 对 网壳 结 构 进
２ ０ｌ ５年
１ 月
郑 州 大 学 学 报 （工 学 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ）
Ｊ ａ
Ｖ０ １ ． ３６ Ｎｏ ．１
文章编 号 ： １ ６ ７ １ — ６ ８ ３ ３ （ ２ ０ １ ５ ） ０ １— ０ １ ２ ５—０ ４
单 层 球 形 网 壳 结 构 的 分 析 及 实 验 研 究
马 泳 涛 ， 陈天 跃 ，李 伟 ，袁 涛
（ 郑 州大学 机械工程学 院， 河南 郑州 ４ ５ ０ ０ ０ １ ）
系结 构 和薄 壳结 构 的优 点 … ， 被 广 泛应 用 于 中小 型建 筑 、 工业 厂 房 以及跨 度较 大 的展 览馆 、 航 空港
等公 共 建 筑 ， 有 广 阔 的 发 展 应 用 前 景 ． 但 由 于 网壳 结 构 中组成 的 两种基 材 力学 及物 理性 能相 差
替换 实 际 的网壳 结 构 ， 以 获得 精 度 较 高 的 风压 结
ｓ ｈｅ ｌ ｌ ｗｉ ｎｄ ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｕｒ ｅ ａ ｎａｌ ｙｓ ｉ ｓ
１ ． ２ 网 格 划 分
单层球面网壳选型优化设计
单 层 球面 网壳选 型优 化 设 计
刘 宗 发 晏 致 涛 王彦 生 李作 良 ， ， ，
（． 南 科 技 大 学 １河 建 筑 工 程 学 院 ，洛 阳 ４ １ ０ ；． 庆 大 学 土 木 工 程 学 院 ，重 庆 ７ ０ ３ 重 ２ ４ ０４ ） ０ ０ ５
摘 要 ： 用 改 进 的 自适 应 遗 传 算 法 来 解 决 单 层 球 面 网 壳 结 构 构 件 截 面 优 化 问 题 ， 采 用 ＶＣ＋ ＋ 语 言 编 采 并
写 了相 应 的 自适 应 遗 传 算 法 和 有 限 元 计 算 程 序 ， 以 实 现 单 层 球 面 网 壳 结 构 的 自动 优 化 设 计 。设 计 了 可 不 同类 型 、 度 和 矢 跨 比 的 网 壳优 化 算 例 ； 通 过 对按 照 现 行 相 关 规 范优 化 设 计 的 单 层 球 面 网 壳 和 符 合 跨 并 现 行 相 关 规 范 要 求 但 未 经 优 化 设 计 的 单 层 球 面 网 壳 用 ＡＮＳＹＳ 软 件 进 行 考 虑 几 何 非 线 性 的 屈 曲 分 析 ，
网 壳 时 ， 矢跨 比取 １ ６ １ ５比较 舍 适 。 其 ／ ～ ／
关 键 词 ： 层 球 面 网 壳 ；结 构 优 化 设 计 ；遗 传 算 法 ；屈 曲 分 析 单
中 图 分 类 号 ： Ｕ３ Ｔ ３
文 献标 志码 ： Ａ
文 章 编 号 ：０ ６ ７ ２ （０ ７ ０ —０ ８ ～０ １０ — ３９２ ０ ）３ ０ ３ ４
Ｓ ｈｅ ｅ Ｓ ｌ ｃ ｉ ｎ ａ ｃ ｍ ｅ ｅ ｔｏ ｎｄ Ｏｐｔｍ ｕ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｉ ｌ’ ｙ ｒ Ｒｅ ｉ ｕ ａ ｅ ｍ ｅ ｉ ｍ ｓｇ ｆＳ ｎｇ ｅ Ｌａ ｅ ｔｃ ｌ ｔ ｄ Ｄｏ ｓ
某单层肋环形球面网壳结构的整体稳定分析
某单层肋环形球面网壳结构的整体稳定分析陈庆烈【摘要】整体稳定分析问题一直是球面网壳设计中的关键问题.理论分析和工程实践表明:网壳结构的设计通常受其稳定性控制.网壳结构的整体稳定分析主要有三种:屈曲分析、弹性整体稳定分析和弹塑性整体稳定分析.本文借助有限元分析软件ANSYS,以某单层肋环型球面网壳为代表,对其进行屈曲分析、弹性整体稳定分析和弹塑性整体稳定分析,同时深入研究不同缺陷模式对整体稳定性能的影响.研究发现,单层球面网壳前六阶屈曲模态的整体稳定系数相接近,且出现相邻的重模态现象;最低阶屈曲模态缺陷对网壳结构的弹性整体稳定承载力影响最大,但对其弹塑性整体稳定承载力的影响未必最大,故有必要考察相邻的较低阶屈曲模态缺陷对网壳结构的影响.【期刊名称】《四川建材》【年(卷),期】2016(042)003【总页数】2页(P87-88)【关键词】单层肋环形球面网壳;整体稳定;极限承载力;有限元;缺陷模式【作者】陈庆烈【作者单位】同济大学建筑工程系,上海200092【正文语种】中文【中图分类】TU399某单层球面网壳的直径为30 m，矢高20 m(网壳底部标高0.000 m，网壳顶点标高20.000 m)。
周边边界点为支座节点，且为固定铰支座。
荷载标准值为：均布恒载q=1.0 kN/m2 (不包括结构自重)；均布活载p=0.7 kN/m2。
钢材种类选用Q235。
为简化分析，本网壳采用同一杆件截面形式，160×5，径向等分为12份，每根杆件长约1.54 m，环向等分为30份，每根杆件长约0.32～3.14 m。
各杆件选用BEAM188单元，且每个杆件为一个杆单元。
杆件各节点理想刚接，且不考虑节点形式，支座节点理想铰接。
在弹性整体稳定分析时，假定材料为无限弹性；在弹塑性整体稳定分析时，假定材料为理想弹塑性[1]。
当网壳受恒载和活载作用时，其稳定性承载力以恒载与活载的标准组合来衡量，根据JGJ7-2010《网壳结构技术规程》[2](以下简称《技术规程》)中大量算例分析表明：荷载的不对称分布(实际计算中取活载的半跨分布)对球面网壳的稳定性承载力无不利影响。
单层球面网壳的优化设计
单层球面网壳的优化设计
徐菁;岳强民;赖敬延
【期刊名称】《青岛理工大学学报》
【年(卷),期】2003(024)001
【摘要】提出了单层球面网壳结构的一种优化设计方法,它是一种以网壳的总造价为目标函数,取网壳的网格数、矢高、杆件截面面积和节点体积作为优化设计变量,采取直接搜索法与准则法相结合的优化设计方法.基于用Fortran90软件编制的优化设计程序,对单层球面网壳结构进行了大量的计算,用回归分析得出网壳最优网格数、矢高、杆件截面面积和节点体积,同时使杆件面积规格化,以便直接用于实际工程.
【总页数】4页(P6-9)
【作者】徐菁;岳强民;赖敬延
【作者单位】青岛建筑工程学院土木工程系,青岛,266033;山东绮丽集团资产管理公司,青岛,266071;青岛建筑工程学院实验设备处,青岛,266033
【正文语种】中文
【中图分类】TU378.7
【相关文献】
1.单层球面网壳选型优化设计 [J], 刘宗发;晏致涛;王彦生;李作良
2.单层凯威特型单层球面网壳的优化设计 [J], 于永彪;支荣权;孔令彪
3.凯威特型单层球面网壳的优化设计 [J], 方有珍;王秀丽;朱彦鹏
4.基于粒子群算法的单层球面网壳结构优化设计 [J], 王云龙
5.基于ANSYS的单层球面网壳结构优化设计 [J], 陈霞辉
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单层椭球面网壳的参数化设计
单层椭球面网壳的参数化设计
辛静;鹿晓阳
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2014(036)012
【摘要】根据椭球面网壳的特点,采用通用有限元软件ANSYS的APDL参数化语言,研制了两种类型的单层椭球面网壳,并实现了在给定几何参数:纵向跨度S1、横向跨度S2、矢高F、环向对称区域份数Kn、径向节点圈数Nx下,即可确定单层椭球面网壳的形式.通过设计实例表明,该参数化设计方式简单、高效、实用,为采用ANSYS软件对椭球面网壳的不同类型的设计及分析奠定了良好的基础.
【总页数】3页(P53-55)
【作者】辛静;鹿晓阳
【作者单位】山东建筑大学工程力学研究所, 济南250101;山东建筑大学工程力学研究所, 济南250101
【正文语种】中文
【中图分类】TU33
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1.单层椭球面网壳结构体系动力响应分析 [J], 焦文俊;解冰
2.苏州永旺梦乐城单层椭球面网壳设计 [J], 沈晓明;谈丽华;路江龙
3.杂交型椭球面网壳参数化设计及受力性能分析 [J], 鹿晓阳;付浩鑫;赵晓伟;陈世英;蒋雄;李涛
4.哥特式建筑风格与现代网壳结构设计的融合--角锥折板网壳参数化设计及形状优
化 [J], 赵忠佳;鹿少博;鹿晓阳;赵晓伟;李龙
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某单层球面网壳结构设计
结构采用单层凯威 特型球面网壳结 构形式 ， 是在肋 环 型的基 ０ ２ Ｎ ｍ ， ．５ｋ ／ 在进行设 计计算 时 ， 载通过 面荷 载双 向导 荷 至上 荷 础上加斜杆 而组 成 的 ， 大大提 高 了网壳 的 刚度 ， 它 提高 了抵 抗非 弦杆件 。 对称 性荷载 的能 力。构件 数量 比肋 环型 多 ， 整 体 刚度好 ， 用 但 适 依据 Ｇ ０ １—０ ０建筑抗 震设计 规 范 ， Ｂ５０ １２ １ 综合 考虑 太原地 区
＼ ／／＼ ＼ ＼ ＼ ／ ／ ／ ７１
＼ ｛ ＼ Ｉ Ｉ ／ ／ ／ ／ ／＼
值取 ０ １ （ ＝ ．６ ， ．６ 一 ０ １ ） 特征周 期值取 ０ ４ （ ｇ ０ ４ ） 钢 结 ．５ｓ Ｔ ＝ ．５ｓ ，
构 阻 尼 比取 ０ ０ （ ．２ ＝０ ０ ） ．２ 。
整个计算过程 中结构 向和竖直方 向的地震作 用的影响。
０ ３ ３１ ９ ６
０． ８８ １ ３ ５
３ 使 用程 序 和计算 依 据
对该单层凯威特 型球 面网壳进 行动力 特性 的模 态分 析 ， ｌ 表 本论文采用空 间结构设 计 软件 ３ ３ Ｄ Ｓ建模 计算 ， 钢结 构分 显示 了结构前 ９阶振型 的 自振周期 结果 及振 动形 式 ， ３～图 ６ 用 图
载 为 ０ ５ｋ ／ 基 本 风 压 为 ０ ４ｋ ／ ，０年 一 遇 的基 本 雪 压 为 ． Ｎ ｍ ， ． Ｎ ｍ ５
． Ｎ ｍ ， 吊顶 荷 载 ） ０ ５ｋ ／ ， 面 活 荷 为 ． Ｎ ｍ 屋 到造型的美观和 功能要 求 ， 应建 筑要 求 ， 屋盖 用如 图 １ 示球 面 静 载 为 ｏ ５ｋ ／ 下 弦 静 载 （ 所
．
４ ・ ８
第３ ８卷 第 ２ １期 ２ｏ １２ 年 ７ 月
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基于ANSYS的单层球面网壳结构优化设计
摘要:单层球面网壳结构是一种具有吸引力的空间结构型式,为改善其经济性,本文采用ANSYS软件的优化模块(零阶方法和一阶方法)对其进行优化设计。
关键词:球面网壳结构优化设计ANSYS
随着社会的不断进步和经济的蓬勃发展,人们不断扩大着钢结构的应用范围,与此同时建筑钢材的消耗也在以惊人的速度增长。
大跨度空间结构是现代建筑的发展方向之一。
随着跨度的增大,传统的网架、网壳和析架等网格结构,只有采用很大的构件截面尺寸,才能满足强度和使用要求,结构往往显得笨重而且材料用量多,经济性欠佳。
因此对这一投资高、风险大的复杂结构进行优化设计研究是十分必要的。
空间网格结构的优化设计通常以结构自重最小作为优化目标函数.目前已有许多文献利用传统的优化方法研究了平板网架结构的优化设计问题[1～2],而对单层网壳结构的优化设计问题很少见[3～4]。
球面网壳结构的优化设计是一个复杂的、非线性约束优化问题,另外复杂的约束条件也会使优化问题很容易陷入局部最优解。
本文借助ANSYS软件的优化模块(零阶方法和一阶方法)对其进行优化设计,以,在给定的约束条件和设计参数范围内搜索最优的结构设计参数,并与初始设计进行对比分析。
1 工程介绍
某单层网壳结构,其俯视平面形状为圆形,底平面的直径为100m,球面直径为100m,矢高为6.7m,球面中心角为60°,具体模型见图1。
材料:钢管,E=2.1e11,v=0.3,剪切模量G=8e10。
截面几何:杆件均为空心钢管,环杆内径为d1,壁厚t1,径杆内径为d2,壁厚t2,斜杆内径d3,外径t3。
2 有限元模型
用beam188来模拟肋杆、径杆及斜杆。
Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构,该单元基于铁木辛哥梁结构理论,并考虑了剪切变形的影响。
Beam188是三维线性(2节点)或者二次梁单元。
每个节点有六个或者七个自由度,自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。
当KEYOPT(1)＝0(缺省)时,每个节点有六个自由度;节点坐标系的x、y、z方向的平动和绕x、y、z轴的转动。
当KEYOPT(1)=1时,每个节点有七个自由度,这时引入了第七个自由度(横截面的翘曲)。
这个单元非常适合线性、大角度转动和/并非线性大应变问题。
当NLGEOM打开的时候,beam188的应力刚化,在任何分析中都是缺省项。
应力强化选项使本单元能分析弯曲、横向及扭转稳定问题(用弧长法)分析特征值屈曲和塌陷)。
Beam188/beam189可以采用sectype、
secdata、secoffset、secwrite及secread定义横截面。
本单元支持弹性、蠕变及素性模型(不考虑横截面子模型)。
这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组和截面。
图2是单元几何示意图。
3 优化数学模型
3.1 目标函数
本文以单层网壳的总重为目标函数,网壳优化设计的熟悉模型可表示为:
3.3 约束处理
粒子群算法是一种无约束优化方法,为了求解上面的优化问题,必须先将约束优化问题转化为无约束优化问题,本文采用惩罚函数进行处理。
4 ANSYS软件优化技术
本文采用ANSYS软件高级分析技术中的优化设计模块来解决基
础结构整体优化设计问题。
该模块将有限元分析技术与优化方法相结合,从而构成基于有限元分析技术的优化方法。
ANSYS的优化分析过程与传统的优化设计过程相类似,在优化设计之前,要先确定好设计变量、约束条件和目标函数。
所不同的是其数学模型必须要用参数来表示,包括设计变量、约束条件和目标函数的参数化表示。
ANSYS软件提供了两种优化方法即零阶方法和一阶方法。
零阶方法是主要通过对目标函数添加罚函数将问题转化为非约束的优化问题,再用曲线拟合来建立目标函数和设计变量之间关系来实现逼近的。
在零阶算法运算中只用到因变量(状态变量和目标函数)而不用其偏导数,其优化处理器通过随机搜索建立状态变量和目标函数的逼近。
一阶方法同样是通过对目标函数添加罚函数将问题转化为非约束的优化问题后,再使用因变量对设计变量的偏导数进行梯度计算,从而确定搜索方向,并用线搜索法对非约束问题进行最小化,而不是对逼近数值进行操作;其每次迭代都由一系列的子迭代组成,
一次优化迭代有多次分析循环,此方法精度高但计算量大。
总体而言,以上优化设计过程可用图3来表示。
5 计算结果(如表1)
6 结语
本文采用ANSYS软件的优化模块(零阶方法和一阶方法)对单层球面网壳结构进行优化设计,以环杆、径杆和斜杆的直径及壁厚为设计变量,以结构总重量作为优化的目标函数,在给定的约束条件下建立了优化数学模型。
当选择零阶方法时,最优设计尺寸为:d1＝0.097,d2＝0.094,d3＝0.086,t1＝0.0038,t2＝0.0041,t3＝0.0038,最优目标函数值为335890N,比初始设计减少25.85%的重量。
当选择一阶方法时,最优设计尺寸为:d1＝0.095,d2＝0.120,d3＝0.079,t1＝0.0036,t2＝0.0035,t3＝0.0034,最优目标函数值为3178200N,比初始设计减少29.84%的重量。
本方法在单层球面网壳结构优化设计及施工等方面有着广泛的应用前景。
参考文献
[1]Dag Kavlie,Johannes Moe. Automated design of frame structures[J].Journal of Structural Division,ASCE,1971.
[2]Saka M P.Optimum design of nonlinear elastic framed domes[J].Advances in Engineering Software,1998.
[3]张年文,等.考虑几何非线性影响的单层网壳优化设计[J].空间结构,2003.
[4]王红,谭石丁.具有模糊可靠度约束的球面网壳的优化设计[J].广东工业大学学报,2005.。