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板錐網(wǎng)殼結構是指用板片組成錐體單元，按網(wǎng)殼結構的曲面形狀將錐體單元拼接成整體，各錐頂再用桿件有規(guī)律地相互連接所形成的一種新型結構形式，如圖所示。板錐網(wǎng)殼結構受力性能合理，可充分進行板材的強度分析和剛度分析，才能發(fā)揮材料的最大效用，同時集承重、圍護、裝飾為一體，輕質高強，具有良好的經(jīng)濟效益，并且具有鮮明的建筑視覺效果。
網(wǎng)殼得到了廣泛的應用，由于復合材料板材輕質、高強氣比強度比普通鋼材高很多，具有強度和彈性性能的可設計性，特別適合應用于板錐網(wǎng)殼結構的預制錐體單元。文獻對玻璃鋼板材在板錐網(wǎng)殼結構中的應用進行了初步研究，只是對板錐網(wǎng)殼結構進行整體分析，沒有對組成錐體單元的復合材料板件自身的一系列力學問題進行研究，材料設計和結構設計沒有同時進行。但是復合材料具有各向異性、不均勻性、低層間剪切模量和低層間剪切抗拉強度、幾何非線性和物理非線性等一系列力學特點，它的力學問題比均勻、連續(xù)、線彈性和各向同性的材料復雜得多，因此需要對復合材料板的受力特性及其它一系列問題作全面和深入的研究。
在復合材料板錐網(wǎng)殼結構中，局部屈曲是主要設計控制因素。通過對復合材料層合板首層材料強度破壞和末層材料強度破壞的比較，發(fā)現(xiàn)兩者載荷強度間隔過大，不利于充分發(fā)揮復合材料的潛力和優(yōu)點，有必要進行層合板合理的鋪層設計，所以在復合材料板錐網(wǎng)殼結構中，強度也是主要設計控制因素之一。本研究結合復合材料力學理論和復合材料結構力學板殼理論，采用ANSYS軟件先求出板錐網(wǎng)殼結構單層板彈性主方向的應力，然后通過Hoffman理論得到各載荷步下的每層失效值，判斷層合板首層材料破壞時的載荷破壞強度和末層破壞時的載荷沫層破壞強度，對復合材料層合板自身的強度和主要影響因素進行全面和深入的研究，為復合材料板錐網(wǎng)殼結構設計和層合板鋪層設計提供理論上的依據(jù)。
對于復合材料板錐網(wǎng)殼結構，本研究只考慮采用上弦桿的錐頂節(jié)點為鉸接，底面節(jié)點為剛接的計算模型。在ANSYS分析模型中，桿件單元取2節(jié)點6自由度的空間桿單元Link8。對于三角形板的單元類型，采用4節(jié)點有限應變殼單元Shell181，每節(jié)點6自由度。復合材料建模的難點是如何準確模擬層合板鋪層設計，在ANSYS有限元分析軟件中，材料的坐標系是確定材料屬性方向的坐標系，由單元的坐標唯一確定，要確定材料坐標，只要確定單元坐標就可以，復合材料Shell單元默認的單元坐標是以邊為基礎的坐標系。在進行復合材料結構建模時，有時候結構幾何比較復雜，很難用統(tǒng)一的坐標來確定單元坐標系，板錐網(wǎng)殼結構的層合板都是三角形，直接劃分單元，很難統(tǒng)一單元坐標系，故板單元采用4節(jié)點的Shell181，并利用直接創(chuàng)建節(jié)點和單元的建模方式，來控制單元坐標系，這為能夠準確模擬復合材料層合板鋪層設計奠定了基礎。
在復合材料層合板分析中，各個單層材料的材料性質、纖維方向、厚度等各不相同，至少各層的纖維方向是不同的，因此各個單層對外應力的抵抗能力也是各不相同的。復合材料層合板在一定的外載作用下，一般說不可能各層同時發(fā)生破壞，而應該是各層逐步被破壞，所以說復合材料層合板的破壞過程是從材料首層破壞到末層的過程。本研究采用ANSYS軟件首先計算出層合板各層板沿參考軸彈元坐標系的應力，由于層合板各層鋪設角不同，計算出的各層應力并不一定沿彈性主方向，為了進行強度分析，尚需利用其轉化為沿該層單層板彈性主方向的應力，然后按Hoffman強度準則計算各層板的強度。采用ANSYS軟件再對結構進行非線性分步加載靜力分析，同樣是上述的方法，求出單層板彈性主方向的應力，通過Hoffman理論得到各載荷步上的每層失效值，判斷層合板首層破壞時的載荷層破壞強度環(huán)口，末層破壞時的載荷。在工程設計中一般認為首層破壞強度作為最終強度，而且本結構分析時并沒有考慮層合板剛度退化，即層合板中某一層失效后，層合板發(fā)生變化，但是本研究還是求出材料的末層破壞強度，因為對于復合材料層合板來說，層合板的末層破壞強度往往要比首層破壞強度高很多，需要利用末層破壞強度來觀察首層材料破壞和末層材料破壞強度的間隔，以判斷層合板鋪層設計是否合理，以便充分發(fā)揮復合材料應有的潛力。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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