第一章绪论
1.1 引言
大跨度的空间网架钢结构体系是在近 50 年内迅速发展起来的，其构造形式从传统的梁肋体系、拱形结构、桁架结构、薄壳空间结构体系，到当前的网架网壳、悬挂、悬索、以及充气结构、可伸展折叠的张拉结构体系等等。瑞士苏黎世某机场机库，美国新奥尔良的超级穹顶体育馆、前苏联列宁格勒体育馆、美国亚特兰大奥运会主体育场、美国旧金山体育馆、美国庞蒂亚克银色穹顶、日本东京室内棒球场、日本福冈穹顶等都是当今世界大跨度结构的“柔”性化钢结构建筑。伴随着新中国的建立，国家政局的稳定，经济建设的重视与发展，作为重要工业的组成部分—钢结构，也受到广泛的关注与发展，进入额全民大炼钢的阶段，由于科学技术水平的限制，钢得产量以及性能存在着严重的不足，因此钢结构大部分只用于工业厂房、大型的机场，电视铁塔等等，例如鞍山工业区的炼钢厂、武汉的炼钢厂、深圳开发区的电子厂等等均采用钢结构，当时运用比较多的是排架厂房，比如上海的体育馆，采用的就是平板排架钢结构，北京地区的工人体育馆采用的是圆形双桥辐射式悬挑钢结构，浙江杭州的体育馆运用双曲抛物面正交技术的悬索结构形成了椭圆平面，还有当时的铁塔，在北京、上海等地区建成的高度在 200m 以上的电视铁塔，在山区建立得信号铁塔等等钢结构。随着改革开放进程的到来，经济发展速度进入了快速阶段，钢结构产业也得到了空前的发展，并在质量和产量上有了一定程度的提高，应用的范围开始大幅度的扩展，在高层建筑和超高层建筑中使用钢和混凝土的混合结构、在多层楼房的顶部为了减少整体载荷，利用钢结构的特点，采用混合式、单层厂房、特殊结构的体育馆、以及超大跨度的展厅、重大机场的候机厅、以及高架的大型仓库。大跨度的结构中重点项目有:圆壳的双层平面网壳结构的天津新体育馆，以及浙江地区采用三心平面圆柱网壳电厂，90年代上海建成的马鞍网壳超大跨度的张悬体育馆，上海的浦东建成的大跨度的张弦结构的新机场，这些建筑物的建立，体现了当时钢结构技术发展的水平。步入 21世纪，这个科技引领时发表展的岁月里，随着结构学科的进步和计算机技术的发展，建筑结构的承载力以及随着建筑时间的推移，结构的安全性能越来越受到社会人士的广泛关注。建筑结构的复杂化，无疑对于设计能力以及规范有了更深入的要求，对于强度破坏，需要了解结构在从弹性进入弹性进入弹塑性，出现塑性内力重分布直到形成机构丧失承载能力这一整个过程中的内力、应力和变形的变化情况，以及结构在丧失承载能力后的性态等等。对于失稳破坏，需要了解结构中各种初始缺陷对稳定承载力和结构性态的影响等等。对于断裂破坏，需要了解裂纹在结构受力过程中出现、发展直到结构断裂破坏等等。
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1.2 工程背景及研究意义
大跨度网架结构在工程中应用越来越普遍。如下图所示北京航站楼，武汉火车站，鸟巢等如图 1-1、图 1-2、图 1-3所示的大跨度钢结构。然而根据现有的规范，在设计中都是将组合的构件，简化成为一个整杆，并未曾深入研究在失效破坏过程中，具体的破坏位置，以及每个部位变形-应力。大垮空间网架结构，在外荷载作用下，有可能造成单根杆件发生破坏，然而每根杆件都与之连接在一起的杆件存在相互作用，当一根杆件失去承载力时，本来由它所承受的力，将分给其他的杆件，那么对于整个大跨度网架结构而言，结构会不会产生连锁反应。在大跨度网架结构设计中，当简化的杆件，达到屈服时，就认为杆件失效，此设计是否过于保守，因为根据材料的性能，我们知道，杆件当达到屈服强度时，有可能还存在能够承受稍微大些的力，进入强化阶段。在结构设计中，实际的杆件是由几个构件组合在一起，那么此时是否其应力会比简化的二力杆承载力高一些，或者在荷载作用下，由于不同构件之间摩擦的存在，是否结构的承载力不断的弱化等等问题有待深入探究。因此，对于组合杆件极限承载力的研究对于工程设计将存在重大意义，并且对于杆件的精确建模，研究带有锥头和带有封板两种组合杆件的受力性能，在整个结构的受力时，将包含构件之间的接触与摩擦。然而试验的方式不能够测出摩擦和接触对于该结构受力过程的影响，因此采用有限元软件进行详细建模分析。对于考虑实体构件的接触和摩擦模拟时，经常用的软件有 ansys 和 abaqus。然而对于，在模拟过程中如何处理接触、摩擦，并且计算方法如何选取设置，很少有人研究。本文详细的研究各种方法对于计算的影响，并且详细的研究论述接触理论基础，从而论述 ansys 中如何设置接触和摩擦参数和计算方法。
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第二章接触理论
2.1 章节概述
如图 2-1 和图 2-2 所示两种组合结构的端部构造简图，我们可以认识到在带有锥头的组合杆件及带有封板的组合杆件承载力分析中， 必然会存在不同构件之间的接触，那么对于发生接触的构件的刚度是如何变化，以及如何的判定两者之间合适产生接触等等问题将是我们认识学习的重点，本章节意在论述分析接触理论。随着互联网时代的兴起，软件的更新换代升级，对于电算过程中所消耗的占用的资源越来越不是主要的问题，接踵而来的便是有限元软件中一些需要问题因占用资源而不能解决的问题得到很好的处理。模拟相互接触的物体之间因相互作用而引起承载力问题是，接触问题的处理越来越受到广大 CAE软件应用这的需求。对于接触问题的分析求解，不仅仅是通常的物体本身的材料非线性和产生几何大变形，因为两个物体之间的接触时非连续的，这边关系到如何解决接触面之间的力学问题。这是与求解连续体有限元分析的主要区别。接触面的非线性主要下面的两个方面：（1） 物体发生接触时，接触范围和位置都是不确定的，在荷载的作用下，相接触的两个物体，产生相对位移变化，造成接触位置的改变。（2） 接触时是极其复杂的。对于两个接触面上对应节点是否可以穿透单元，接触方向法向只能存在压力，不可能存在拉力，因为一旦有拉力的存在，物体将发生分离。接触面之间有可能产生摩擦，这将是接触问题变得更为复杂。对于求解过程中不确定的物体接触部分，ansys 软件中，如果设定了两个面为接触对，将通过判定两者之间是否小于设定的某个值，一点小于某个值，此时将认为两者之间发生接触。并且在求解的过程中将反复验证这一点，因此对于接触问题的求解将消耗更多的资源。
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2.2 接触问题加载
对于接触加载问题而言，如果存在摩擦力，那么接触面之间的压力并不随着载荷成线性增加，也就是加载是不可逆的。然而如果两者之间不存在摩擦力也不存在材料本身的塑性变化，此时接触力和载荷就是线性关系。当载荷不断的施加在发生接触的两个物体上时，接触物体的上位置也将不断的发生变化，接触的区域也是不断的改变。那么，当把物体 A 和物体 B 划分单元之后，接触面上的接触点和目标面上的节点中距离最近的节点的是不停的在变化。也就是，接触面上的线或者面是不断的变化的。
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第三章带封板的组合杆件的承载力分析.......29
3.1 ansys 接触分析概述 ....... 29
3.2Ansys 非线性问题求解 ................ 32
3.2.1 非线性描述.......... 32
3.2.2 非线性求解 .......... 32
3.2.3ansys 迭代原理 ..... 33
3.2.4 材料非线性 .......... 35
3.2.5 材料本构模型 ...... 36
3.3 组合杆件构造简图 ......... 37
3.3.1 有限元模型 .......... 38
3.3.2 建模 ......... 38
3.3.3 接触设置 .............. 45
3.3.4 不同长度组合杆件结果分析 ........ 47
3.3.5 摩擦系数对组合杆件承载力的影响 ......... 53
3.3.6 六角套筒摆放位置的影响 ............ 55
第四章带有锥头的组合杆件承载力分析.......60
4.1.1 有限元模型 .......... 60
4.1.2 建模过程 .............. 60
4.2.1 接触设置 .............. 71
4.3.1 不同长度组合杆件的承载力研究 ............. 73
4.3.2 改变钢管的长度 ............... 74
4.4.1 摩擦系数对于带锥头的组合竿见的承载力的影响 ........... 80
4.4.2 六角套筒安置方向对其承载力的影响 ..... 82
第 5章结论建议与展望....88
5.1 论文结论 ............ 88
5.2 展望与建议 ........ 89
第四章带有锥头的组合杆件承载力分析
4.1.1 有限元模型
参考钢结构设计规 GB50017-2003，喷砂后的 Q235钢接触面处的摩擦系数 取为0.35，并且根据钢结构施工质量验收规范 GB50205-2001 钢网架（桁架）用钢管杆件加工的允许偏差（mm）:端面对管轴的垂直度 0.005r，该模型建立按照偏差 2mm 建立。
4.1.2 建模过程
本次模拟采用对于传统的电算来说均采用先算出线性屈曲，然后再通过命令流提取变形，然后非线性静力加载，但该方法只使用与单独的一个构件，并非考虑接触问题的存在，而本次模拟计算意在研究组合 杆件带锥头的组合杆件承载力，因此该方式将不再适用，该次模拟通过在建模之初便把缺陷加入进去，并添加各个杆件之间的接触。
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结论
论文建模时考虑实际情况，并且由于在算组合杆件承载力时，螺栓球的端部的半球，对于结构承载力没有影响，为了减少没有必要的计算所带来的计算资源的消耗，论文取用半个螺栓球替代整个螺栓球。根据数值模拟的详细学习总结研究，认识到网格的单元优劣将直接影响到计算结果的精确，更有如果网格划分不合理将严重消耗计算资源并有可能根本造成结果不收敛，接触本身就是高度非线性行为，因此为了更好的实现数值模拟结果的准确，本文深入研究并实现了各个构件单元网格的优化。并且在建立模型的时候，严格根据钢结构施工监测标准，建立存在初始缺陷的组合杆件。图形界面的建模方式对于一个杆件的研究分析还可以，但是如果大量批次的只是改变单纯的一个变量的模型数值模拟，参数化建模就凸显出优势。因此根据本论文的研究特点，采用参数化建模的方式，建立 ansys 有限元模型。减少了建模过程中的工作量。对于这两种组合结构而言，区别于在网架结构设计时的假定为纯杆件而言，除了各个杆件几何尺寸不同于设计时所设定的杆件外，重点详细考虑了各个组合构件之间的接触对于整个组合结构的承载力的影响。比如螺栓端部和封板内侧之间的接触，六角套筒和封板外侧之间的接触，以及六角套筒和螺栓球切面的接触，亦有在整个加载过程中六角套筒内壁可能与螺杆发生接触，带有锥头的组合结构亦是如此，为了清楚的认识到这些接触对于这个组合结构带来的影响，本论文详细深入的研究并探讨了接触过程中，刚度的变化理论。并通过建造等长度的圆钢管，并同时获得其极限承载力，将两者进行对比，从而进一步对于大跨度钢结构的设计提供有力的数据依托。通过改变参数的方式，如修改接触面之间的摩擦参数，通过有限元软件 ansys 的数值模拟计算，可定性的理解为改变接触面的粗糙程度，或者保持原钢管的截面尺寸不变，改变钢管的长度参数，并通过统计软件将结果进行比对，便能得到影响组合构件承载力的几点因素，并且对于组合杆件的薄弱部位的加强对于大跨度的空间网架结构的设计起到一定的知道作用，亦为设计者提供更有利的数值依据。
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参考文献（略）