论文总字数：25803字

摘 要

随着时代的发展，人们对于建筑结构的美观性、功能性、环保性的要求也越来越高。在这一进程中，钢结构相比于钢筋混凝土结构和砖混结构的优势日益凸显了出来。无疑，钢结的应用将会越来越广泛，因此对钢结构的力学性能的研究变得意义重大，而钢结构构件的轴向受压稳定性是钢结构力学性能研究领域的一个重要部分，所以本文采用大型商业有限元软件ANSYS对非圆截面的薄壁构件的轴压失稳问题进行了研究。

在理论上，本文将以Umansky（乌曼斯基）闭口薄壁杆件约束扭转理论为基础，结合国内外的一些有关薄壁构件轴压稳定性问题的文献，总结出矩形薄壁柱的理论失稳极限值。然后以大型有限元分析软件ANSYS为平台建立模型，分别讨论不同长细比，不同轴向偏心荷载下非圆截面薄壁构件的轴压整体失稳临界载荷。将求解的值模拟值与理论值相比较，并在此过程中对建立模型所用的单元类型，加载约束方式进行讨论、研究及改进，找到接近理论值的情况，找到最佳建模方式。最后还要根据以上结论讨论提高构件稳定性的方法。

关键词：矩形闭口截面薄壁钢柱 轴压整体失稳 理论失稳极限值 长细比 偏心荷载 有限元 ANSYS 模型建立 稳定性提高

Abstract

Contemporarily, the public’s focus on the out-looking and environment function of the building has been increasing. Comparing with the concrete structure, the steel structure looks more modern and is more friendly to the environment. The trend of steel structure’s becoming popular makes the study of the mechanical properties about the steel structure become necessary. The study of the steel column’s stability is one of the most important work of steel structure study.

In this paper the critical load of the box-section column when it is under axial load will be studied and concluded based on the theory of Umansky , and a theoretical equation of the critical load will also be generated. Then, a model of the axial-loaded box-section column will be built on ANSYS’s plate and the critical loads of the column with different slenderness ratios will be solved by ANSYS. Finally, the model of the box-section columns will be loaded with different degree of eccentricity. And all of the critical loads will be compared with the results solved by the theoretical equation in order to prove the theoretical equation is reasonable.

Keywords: box-section column stability critical load slenderness ratio eccentricity FEM ANSYS

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2文献综述: 1

1.2.1欧拉稳定性理论及稳定性理论的发展： 1

1.2.2钢结构的稳定性理论 2

1.3 闭口箱型截面柱整体稳定性的国内外研究概况 3

1.4 本文的主要研究内容 4

第二章 矩形截面闭口薄壁钢柱的轴向受压弹性解 5

2.1薄壁构件理论 5

2.2 Umansky闭口薄壁杆件的约束扭转理论 6

2.3 单向偏心受压矩形截面薄壁柱的弯扭屈曲临界荷载 7

第三章 线性载荷下的矩形截面薄壁构件的轴向受压有限元分析 11

3.1有限元分析方法 11

3.1.1 ANSYS软件介绍 11

3.1.2　ANSYS特征屈曲值的计算 11

3.2 矩形截面闭口薄壁钢柱的特征屈曲分析及ANSYS建模计算 12

3.2 .1所选材料的基本属性 12

3.2 .2 ANSYS单元选取 13

3.2 .3 ANSYS模型的建立 14

3.2 .4 建模思路及流程 15

3.2 .5 选择加载方式 19

3.2 .6 特征屈曲后处理 21

第四章 实验结果及数据整理 22

4.1 实验结果 22

4.2 数据处理 24

4.3 实验总结 33

第五章 构件稳定性的提高 35

5.1 压杆稳定性提高的措施 35

5.1.1 加大长细比 35

5.1.2 选择合理材料 35

5.2 箱型截面薄壁柱受压稳定性的提高方法： 35

5.3 修改模型，处理实验数据 36

5.4 实验总结 41

第六章 总结和展望 42

6.1 工作总结 42

6.2 本文的不足及改进 42

参考文献 44

致谢 46

第一章 绪论

1.1选题背景

随着我国国民经济的发展，现代化进程的稳步进行，在很多领域，传统的钢筋混凝土结构和砖混结构已经开始被钢结构所取代。这主要因为水泥的生产过程便随着农田的毁坏，煤炭资源的小号，温室气体的排放，水资源的污染。相对于混凝土结构的环境不友好特性，钢结构不但环保性优越，而且还具有可回收、建设周期短、空间使用率高、抗震性能良好、截面轮廓尺寸小、空间透视度良好等一系列优良特性。这一些列特性都预示着钢结构必将成为今后建筑结构领域的主导。因此对钢结构构件的力学性能研究显得愈发重要。然而，随着人们对于结构美观性和功能性的追求不断提升，在设计当中，对构件壁的轻薄程度，构件整体的细长程度也随之提升。可是随着构件的长细比的增大，构件可能会在施加于构件上的载荷达到材料强度极限之前突然出现较大几何变形，结构会因此丧失承载能力，这就是通常所说的结构失稳现象。再加之结构失稳前，结构的变形可能性很小，这使构件的失稳发生的很突然。因此研究结构的失稳条件，判断结构的极限承载值，对于结构的安全保障有着十分重要的意义。

1.2文献综述:

1.2.1欧拉稳定性理论及稳定性理论的发展：

细长弹性梁柱或框架所能承载的轴向压力的极限不是材料破坏的极限，而是欧拉第一临界载荷^[1]。

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