结构力流分析与传力效率评价方法研究.pdfVIP

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

结构的本质是将荷载从作用端传递到支座。目前常用的有限元分析法关注结

构离散点的应力和应变，无法反映结构内的在工作机制。而力流可以直观的描绘

出荷载在结构内转移和分配的过程，反映结构的工作效率，指导结构设计和优化。

尽管如此，目前国内外关于力流的研究还很少，人们对于力流的认识还大多停留

在概念层面上。基于以上背景，本文的研究目标是，对现有的力流分析方法进行

改进，使之更适于实际工程应用；提出基于力流概念的结构传力效率评价指标，

从而为定量评价结构传力效率、优化结构工作性能奠定基础。

论文主要开展以下几方面的内容：

（1）提出了连续体结构的力流分析方法和传力效率评价方法。通过对现有的

几种力流分析方法的特点进行比较分析，确定以传力路径法作为本文力流分析的

基本方法；对传力路径法进行改进，解决了原方法需将外力分解在正交方向分别

绘制力流的问题，实现了平面连续体结构的力流分析；考虑到薄壳结构的受力特

点，引入应变能比反映薄壳单元控制内力的形式，结合应变能比与传力路径获得

了薄壳结构的力流；在此基础上，提出了基于结构最短传力路径与实际传力路径

比概念的结构传力效率评价指标，并通过算例验证了指标的准确性。

（2）提出了杆系结构的力流分析方法和传力效率评价方法。根据单元受力特

点分为桁架结构与刚架结构。对于桁架结构引入应力比的概念，将杆件分为主要

构件与次要构件，通过绘制主要构件的轴力实现了桁架结构的力流分析。对于刚

架结构，忽略扭矩和剪力的影响，利用应变能等效的原则将弯矩对结构影响等效

为轴力，通过分析主要构件的等效轴力图实现了刚架结构力流分析。在此基础上，

同样基于结构最短传力路径与实际传力路径比的概念，建立了桁架结构和刚架结

构的传力效率评价方法。

（3）运用力流分析方法分别对典型的空间单层网壳和薄壳结构进行了力流分

析与传力效率评价，探讨了影响结构传力效率的主要因素。最后通过工程实例力

流分析算例，说明了本文方法和传力效率评价指标的实用性与有效性。

关键词：杆系结构；薄壳结构；力流；传力路径法；传力效率；应变能

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

Abstract

Theessenceofthestructureistotransfertheloadfromitspointofapplicationto

thepointatwhichitisreacted.Atpresent,thecommonlyusedmethod,finiteelement

analysismethodfocusesonthestressandstrainatdiscretepointsofthestructureand

cannotreflecttheworkingmechanisminthestructure.Whiletheforceflowmethod

candirectlydescribetheprocessofloadtransferanddistributioninthestructure,reflect

theworkingefficiencyandguidethedesignandoptimizationofstructures.Inspiteof

this,therearefewstudiesonforceflowathomeandabroad,andpeoplesknowledgeof

forceflowismostlyontheconceptuallevel.Basedonthebackground,theobjectiveof

thispaperistoimprovetheexistingmethodofforceflowanalysistomakeitmore

suitab