基于多尺度模型受冲击格构式钢拱结构的弹塑性动力连续失稳机理研究

Dynamic progressive buckling will occur in latticed steel arch subjected to imipact.Because its action is with shortduration, large quantity, complication of many other factors on failure. It is a problem with nonlinear material, geometry, boundary. The research on the progressive buckling mechanism is not sufficient by far. This project analyzed the research conditon before and the question existed. It will use self-developed program create resonable multi-scale model of latticed arch and impact body to trace the impact procedure, combining the character of the arch.The stress condition of each moment during impact procedure will be gotten.The energy theroy will be employed to identify the progressive buckling criterion during the impact procedure considering the stress wave effect. The mechanism of yielding and developing of buckling in latticed arch will be investigated and the mechanism will be identified by someimpact test of steel arches subjected to impact. Finally the limit impact speed and failure mode can be obtained for engineeing application.

格构式钢拱结构体系受到冲击作用时会发生动力连续失稳。由于冲击作用时间短、量级大、影响破坏模式的因素多，是一种包涵材料、几何、边界等非线性性质的动力稳定问题，因此现在对格构式钢拱结构体系动力连续失稳机理的研究还很不完善。本项目在深入分析前人研究中存在的问题和在前人研究的基础上，结合格构式钢拱结构体系稳定问题的特点，利用非线性有限元分析方法，使用二次开发程序实现多尺度格构式钢拱和撞击物模型的参数化自动建模和连接界面的自动处理，并通过数值计算得到撞击过程每个瞬间的撞击物和钢拱结构中的应力场分布。结合能量原理使用自主开发程序实现构件的数值能量屈曲判据，跟踪结构屈曲发生和发展过程，对考虑应力波的连续动力屈曲产生、发展和破坏机理进行研究。然后通过若干钢球撞击格构式钢拱拱顶试验，对其发生弹塑性动力连续失稳的机理进行验证分析。最后得到常用结构形式格构式钢拱的临界冲击速度和破坏模式，为工程设计提供理论依据。

格构式拱在受到冲击作用，尤其是集中作用的冲击荷载时会发生动力连续失稳。由于荷载作用时间短、量级大，且影响破坏模式的因素多，目前对格构式钢拱结构体系动力连续失稳机理的研究还很不完善。本项目深入研究了精确合理的有限元多尺度模型，讨论了影响格构式钢拱动态失稳的因素，得到了动力失稳能量判别准则，并通过格构式钢拱落锤试验，对格构钢拱发生弹塑性动力连续失稳的机理进行验证分析。主要完成了以下工作：.（1）针对不同尺寸格构式钢拱建立了精细的多尺度有限元模型。利用ABAQUS软件中的运动耦合功能连接梁单元模型和壳单元模型，使应力波能顺利在两种模型之间传播。通过在模型边界增加无限单元，模拟应力波在边界处的透射，使应力波传递规律更加清晰，便于进一步的研究分析。因此认为多尺度模型不仅计算精确，同时有效的减少了计算时间，提高了计算效率。.（2）基于多尺度模型，得到接触点的接触力荷载时程曲线，结构体系任意时刻的弹塑性应力场分布，冲击速度、冲击质量等因素对钢拱动力屈曲的影响特点。.（3）基于Timoshenko曲杆理论，推导了弹性范围内两端固支实腹圆拱在动力荷载下的平衡微分方程，求得了圆拱平衡微分方程的通解，通过使用解析解公式和有限元方法求解了一两端固支圆拱在三种不同形式动态荷载下的响应，通过对比分析其结果，发现两种方法所得的结果吻合很好。因此可以得出结论：在弹性范围内，推导出的圆拱平衡微分方程及其解析解是正确的。.（4）提出一种基于能量原理的动态失稳准则。在冲击荷载作用下，如果系统的最大应变能小于系统临界失稳能量，那么结构将保持稳定。分别采用均布冲击荷载和集中冲击荷载作用下的格构拱验证该准则，确认该动力失稳判定准则能够适用于格构拱的冲击问题。.（5）完成24个格构式钢拱落锤冲击试验，使用高速动态测量手段，对自由下落重锤冲击格构式钢拱结构的实验进行测量。发现钢拱冲击屈曲形态与模拟结果能较好吻合，冲击试验中采集到的数据与数值模拟得出的数据有较好的一致性。