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箱梁计算机辅助设计关键技术研究

作　者: 石欣
导　师: 王磊
学　校: 吉林大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 箱梁有限元六面体网格等效刚度
分类号: U448.213
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

预应力混凝土箱梁结构是目前应用较为广泛的桥梁结构类型,随着计算机技术和有限元的发展,在进行桥梁结构计算时,往往采用有限元法。有限元分析计算主要分为三个步骤：前处理、计算和后处理。本文主要讨论前处理中的网格划分问题以及计算过程中钢束对混凝土单元刚度的影响。在有限元分析中,有限元网格的剖分是一个关键的步骤,网格质量和数量直接影响计算的精度和速度,所以有限元网格剖分也成为目前研究的一个热门。在进行三维实体模型计算时,常采用的网格单元主要是四节点四面体单元和八节点六面体单元。前者的剖分方法成熟,自动化程度高。而后者综合性能好,计算精度高,如何实现其自动剖分,生成高质量的网格单元成为六面体单元在有限元计算中发展的瓶颈。对于箱梁这种较为复杂的桥梁结构类型而言,目前还没有一种高效率的网格划分方法。本文在多年的桥梁CAD软件开发的基础之上,根据混凝土箱梁结构的几何特征提出了一种能够自动完成混凝土箱梁的六面体网格自动剖分算法——纵向切面法。在对其计算思路进行介绍之后,将其应用于工程实例中以验证其可行性。在六面体网格划分完成后,利用有限元法进行桥梁构件的计算,在传统的混凝土桥梁计算中,通过有限单元法中的体单元对混凝土桥梁进行体系受力分析、计算,可以一次性完成弯曲正应力、扭转正应力、弯曲剪应力、扭转剪应力及桥梁横向应力的分析工作,且具有较高的精度。而对于钢筋混凝土桥梁的计算,我们一般只考虑混凝土刚度,而不考虑钢束对混凝土单元刚度的影响,从而导致了单元刚度过小。现在我们在八节点六面体单元剖分的基础之上,以该类型的网格单元为例,介绍一种考虑钢束刚度影响的计算方法。本文利用最小势能原理,考虑预应力孔道和钢束的影响,提出了钢筋混凝土桥梁构件单元刚度矩阵的计算方法。

全文目录

内容提要  4-8
第1章绪论  8-13
  1.1 引言  8
  1.2 桥梁有限元网格划分技术的现状  8-12
    1.2.1 有限元网格的划分要求  8-9
    1.2.2 有限元网格的划分方法概述  9-11
    1.2.3 桥梁有限元网格划分的发展趋势  11-12
  1.3 本文的主要工作  12-13
第2章技术支持  13-18
  2.1 Debian GNU/Linux系统  13-14
    2.1.1 Linux内核  13
    2.1.2 GUN计划  13
    2.1.3 Debian的优越性  13-14
  2.2 Salome  14-16
    2.2.1 Salome的功能  15
    2.2.2 Salome平台的结构  15-16
  2.3 Python  16-17
    2.3.1 概述  16-17
    2.3.2 模块的导入  17
  2.4 本章小结  17-18
第3章单元类型选择及划分方法研究  18-30
  3.1 单元类型的选择  18-24
    3.1.1 体单元类型概述  18-19
    3.1.2 四面体单元与六面体单元的比较  19-24
  3.2 六面体网划分方法的研究  24-29
    3.2.1 映射法  24-25
    3.2.2 扫描法  25
    3.2.3 基于格栅法  25-26
    3.2.4 扩展的AFT法  26-27
    3.2.5 四面体转换法  27-28
    3.2.6 多子域法  28-29
  3.3 本章小结  29-30
第4章箱梁几何模型的建立  30-36
  4.1 建立路线坐标系  30
  4.2 混凝土箱梁几何模型管理  30-33
    4.2.1 翼边结构  30-33
  4.3 几何建模  33-35
  4.4 本章小结  35-36
第5章纵向切面法  36-47
  5.1 纵向切面法基本思路  36-40
    5.1.1 基本参数  36
    5.1.2 基本横断面平面网格剖分  36-39
    5.1.3 循环计算其余横断面  39-40
    5.1.4 只有外环无内环断面的处理  40
    5.1.5 生成六面体网格  40
  5.2 程序的实现  40-43
    5.2.1 程序中使用的主要函数  40-43
    5.2.2 算例  43
  5.3 本章小结  43-47
第6章混凝土和钢束共同作用下单元刚度矩阵的计算  47-58
  6.1 引言  47
  6.2 单元刚度矩阵  47-51
    6.2.1 单元特性分析  47-48
    6.2.2 计算单元刚度矩阵  48-50
    6.2.3 由最小势能原理得出单元平衡方程  50-51
  6.3 考虑预应力孔道和钢束的单元刚度矩阵计算  51-54
    6.3.1 单元特性分析  51-52
    6.3.2 孔道和钢束部分单元刚度矩阵的计算  52-53
    6.3.3 关于高斯数值积分方法  53-54
  6.4 算例  54-57
    6.4.1 结构基本信息  54
    6.4.2 计算过程  54-56
    6.4.3 计算结果验证  56-57
  6.5 本章总结  57-58
参考文献  58-60
附录  60-72
中文摘要  72-74
Abstract  74-76
攻读学位期间发表的论文  76-77
致谢  77

箱梁计算机辅助设计关键技术研究

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