网壳设计与分析

　　钢结构在现代结构中扮演了重要角色。钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。也就是大厦、体育 馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。按照结构体系可以分为框架、平面(木行)架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。

　　其理论与技术大都成熟。亦有部分难题没有解决,或没有简单实用的设计方法，比如网架（壳）的稳定设计与分析。

　　此项目是LUSAS给韩国三星集团定制的“LUSAS网壳非线性屈曲设计与分析”专用程序包。按照设计流程，大致分为以下步骤：

         1 选型

　　用户可以根据需要来选型，主要分为平直形、圆形、扁圆形、椭圆形以及拱形5种。

图1 选型

         2 选择初始结构形状

　　选型结束后，需要进一步选择各个部件的初步形状，如构件上部和下部等。然后程序自动会将它们组合起来，形成新的结构类型。用户可以通过AutoCAD的DXF文件，将设计的类型导入到LUSAS中，此对话框允许用户方便进行此类操作。

图2 截面选择

         3 属性配置

　　结构布置结束后，需对构件单元类型、截面尺寸、材料属性进行设定。

　　单元类型包括杆单元以及梁单元两种。

　　尺寸设定主要是对梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的估算。一般这是一个反复调整的过程，用户可以使用结构优化软件LUSAS进行截面优化。用户可以通过AutoCAD的DXF文件，将设计的尺寸导入到LUSAS中，此对话框允许用户方便进行此类操作。

　　材料属性也可以在该对话框中设定。

图3 属性设定

          4 边界设定

　　程序可以按照选择的类型施加不同的约束方式，比如构件之间是铰接还是刚接等。其对话框如下所示：

图4 边界约束

          5 加载以及组合

　　由于是用户定制的，因此该向导中可以由用户自己设定需要的规范以及对应的荷载类型。这里同时也包括了美国的ASD和LRFD钢结构规范。加载对话框如下图5所示：

图5 加载

　　　同时程序允许用户可以按照规范要求自动对各类荷载自动组合，组合向导界面如下所示：

图6 荷载组合向导

          6 优化求解

　　需要指出，这里的求解不是一次就可满足用户需要的，需要一个反复的过程。事实上正因为是优化，才需要反复计算以确定结构尺寸。下面的流程图可以说明整个软件的运行过程：

图7 优化设计流程

　　事实上，上面从选型到加载这5步仅仅是为设计做了*基本的工作，也就是图7中的“构件尺寸的随机选取”这一步。

　　之后进行一个初始分析，用户需要输入屈服应力以及应力比。从而可以在接下来确定构件的初始尺寸。

　　之后弹出的对话框将需要用户输入优化的参数，比如规范种类、规范中的**应力比、允许的构件**变形、**迭代数量等。之后将反复计算尺寸从而确定构件的*后形状。

　　从初始分析确定初始形状，到反复分析确定*终形状这个过程，可以用下面的图形表示：

图8 优化计算核心界面

　　尤其需要指出的是LUSAS可以提供挠度和应力的双控检测。

　　当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件，自动从给定的截面库里选择加大一级.并自动重新分析验算，直至通过，如LUSAS 等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了工程师很多的工作量。但是，初学者至少应注意，当预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待：

(1) 强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度，其中,抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度。

(2) 变形超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，会很不经济。

　　使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分，但是LUSAS可以考虑这方面的问题。

          7 非线性屈曲分析

　　构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。因此可以说现在的常规设计与分析方法是和规范并不完全符合的，而一般软件使用的P-Δ效应也只是对几何非线性影响的一种近似。

        LUSAS不仅可以在屈曲分析时使用非线性材料，同时也可以考虑几何非线性，这为更精确的分析结构提供了*为全面和高端的条件。其界面如下图9所示。

图9 非线性屈曲分析界面

       8 生成报告

        LUSAS可以在这里方便地生成用户需要的报告数据与格式，可以说LUSAS的二次开发能让用户随意定制报告。

图10 报告生成向导