蜂窝梁设计范文
蜂窝梁设计范文（精选7篇）
蜂窝梁设计 第1篇
复合材料蜂窝夹层结构由上下对称的复合材料面板、厚而轻的芯子组成,对结构高度大的翼面结构、蒙皮壁板(尤其是上翼面壁板)采用蜂窝夹层结构取代加筋板能明显减轻质量。另外它具有大的弯曲强度/质量比、弯曲刚度/质量比和可设计性;具有良好的吸声、隔声和隔热性能。因此复合材料蜂窝结构广泛应用在航空航天领域。由于复合材料增加了许多可设计的变量,如纤维方向角、铺层方式、铺层厚度、表层和夹芯厚度等。它们为结构优化提供了更大的潜力,同时也增加了分析的复杂性,以往以查曲线为主的简单方法无法满足夹层结构设计分析的要求,所以优化设计这类结构需要先进的设计概念和严密的优化方法。本文以蜂窝夹层结构翼梁为例,先对蜂窝夹层结构翼梁的蜂窝芯子进行等效参数计算,即将模型模拟成层合板结构翼梁,以层合板的厚度为设计变量,以结构质量为目标函数,以材料的设计许用应力和单元满足应变要求作为约束条件。采用有限元软件MSC.NASTRAN自带的满应力设计和数学规划优化方法以及与复合材料层合板一般铺层原则相结合,得到合理的翼梁缘条、腹板厚度和铺层顺序。
1 结构设计方法及建立优化模型
1.1 结构形式及优化参数
翼梁结构是DF-2轻型体育运动飞机机翼主翼梁,翼梁剖面形状“[”(图1),缘条采用S1002玻璃/环氧层合板,表1为其工程弹性常数。腹板是NOMEX蜂窝夹层结构,上下表面是对称S1002玻璃纤维层合板。飞机左右翼梁采用整体对称结构,所以这里只设计一半即可,翼梁一端固支,沿翼梁下缘条站位加载,以模拟机翼的实际受载形式。
复合材料存在许多可以作为设计变量的材料构造参数,包括各单向层的层厚以及各单向层的纤维方向角等,并且单向层的纤维方向角是一个连续变化的设计变量。由于制造条件的限制,对于所求出的优化值,最终也要圆整到生产容许的数值上。为了适应制造条件,也为了简化优化设计/分析与工艺,单层铺层角直接规定为几种符合设计和工艺要求的四个方向铺层[1],为0°,90°,±45°,而不作为设计变量。
本文的目的是确定蜂窝芯的厚度、铺层板单层厚度、上下层板的层数以及上下层板的铺层角度。在满足选用材料的强度约束下,使得质量最轻。
1.2 铺层设计一般原则
复合材料层合板铺层设计需遵循以下原则[2]:
1) 除特殊需要外,应采用对称均衡铺层,以避免耦合引起翘曲。如果由于设计需要采用非对称或非均衡铺层时,应计及工艺变形限制。将非对称和非均衡铺层靠近层合板中面,可减小工艺变形。
2) 单层0°方向纤维应尽可能地与层内拉伸或合缩内力方向一致,以最大限度地利用纤维沿轴向所具有的高强度和高刚度特性;±45°方向纤维用以承受面内剪切内力;90°方向纤维用以改善横向强度和调节泊松比。
3) 铺层顺序的确定是一个兼顾强度、刚度、稳定性和损伤阻抗、损伤容限等各性能要求的折衷结果。
4) 由0°,90°,±45°层构成的层合板中,任一铺设角单层最少层数百分比一般应不小于6%。也可选择[0/90],[±45],[0/±45]等铺层方式。
5) 同一铺设角的单层不宜过多集中在一起,超过4层时易出现树脂基体纵向开裂和层间应力增高。
1.3 蜂窝夹层板芯子等效计算
由于用工程软件进行数值计算时,蜂窝芯子不能直接给定材料属性,要经过等效计算成单层板结构。蜂窝芯子等效计算利用三明治夹心板理论[3,4],可以等效为一均质的正交各向异性层板。蜂窝芯子采用的规格为NRH-2-48,其压缩模量Ee,纵向剪切模量GTL,横向剪切模量GWT见表2 NRH-2-48蜂窝芯子工程弹性常数。图2为正六边形蜂窝示意图。等效弹性参数表示为:
式中:E 夹芯材料的弹性模量;
G 夹芯材料的剪切模量;
l 蜂窝胞元壁板的边长长度;
t 蜂窝胞元壁板的厚度;
γ 修正系数,取决于工艺,一般取0.40～0.60。本文取0.40。
已知所选NOMEX蜂窝芯材的壁厚为0.05mm,芯子边长3mm,经等效公式求出蜂窝芯子等效弹性参数列于表3,此结果用于后面的有限元结构分析。
2 结构优化设计数学模型及方法
2.1 数学模型
在设计变量、约束条件和目标函数确定后就可以建立优化设计的数学模型[5],一般是在寻求满足约束条件下使目标函数最小(或最大)的设计变量。
minf(x)
s.t. hi(x)=0(i=1,,m) (2)
gj(x)0(j=1,,p)
本文优化的数学表达式为:
设计变量:t0,t90,t45,t-45,t芯子;
目标函数:m=f(t0,t90,t45,t-45,t芯子)min;
约束条件:-1.48MPa σ0.67MPa。
2.2 比例满应力设计
在满应力设计中调整设计变量主要采用应力比,即由满应力设计[6]概念而演变来的一个迭代关系式
(i=1,2,,m)
式中,(ν)、(ν+1)为迭代次数;β
根据结构优化设计的一般规律,可以画出比例满应力设计程序流程图(图3)。其中,[σi]为许用应力,βimax为第i个元件在所有载荷情况下最大的应力比,ε为前后两次迭代设计变量的相对误差。
3 结果与分析
蜂窝夹层结构翼梁缘条原始设计铺层为:[0/45/-45/90/0/90/02/90/0]S共20层,每层厚度固定值为0.15mm,缘条厚度3mm。腹板原始设计为:[0/90/45/-45/0/-45/90/-45/0/90/夹芯]S共21层,夹芯初始厚度为3mm,腹板总厚度6mm,初始质量为9.8kg。设计变量每层厚度的上下限为0～20mm,芯子上下限0～30mm。优化及圆整后的铺层厚度为:缘条t0=12.3mm,t45=5.7mm,t-45=6.6mm,t90=2.4mm。腹板芯子t芯子=6mm,t0=1.8mm,t45=7.8mm,t-45=3.6mm,t90=3mm。目标函数迭代过程见图4,最终优化翼梁重34.1kg,满足设计要求。由层合板铺层设计的一般原则得最终铺层,缘条铺层为:[0/45/-45/90 /03/45/-45/02/452/-453/03/90/453/-452/02/90/02/-45/02/45/03/45/-453/90/02/0/45/-45/90/03/45/-45/02/452 /-453/03/90/453/-452/02/90/02/-45/02/45/03/45/-453/90/02]S共176层,腹板[0/45/-45/90/45/-45/0/ 45/90/45/-45/90/45/90/45/0/90/45/-45/90/夹芯]S共89层。
有限元分析结果位移变形见图5,最大变形量184mm,没有超过机翼变形的极限值200mm。
从优化结果的铺层厚度和目标函数可以看出,翼梁厚度和质量比初始设计增加了很多,这并不是说优化结果出现了问题,而是初始设计数据没有验证结构强度要求,只是为了选取模型变量,任意选用的铺层厚度和铺层角度,而通过MSC.NASTRAN的优化计算,最终满足了在加载状况下的材料满应力要求。经MSC.NASTRAN静力分析表明,优化后的铺层顺序和厚度满足蜂窝夹层结构翼梁强度要求。
由于复合材料蜂窝结构设计[7]要进行复杂的计算分析,设计变量包括铺层角度、铺层厚度、铺层顺序、上下层板的层数、夹芯的铝泊厚度、夹芯边长和夹芯的高度,设计变量和目标值关系复杂,同时又是非连续优化问题,常规优化方法则难于求解,本文通过三明治夹芯等效方法、有限元分析工具、层合板铺层设计一般原则得到了一种简化快捷的蜂窝夹层结构优化设计方法。
摘要：利用三明治夹芯板理论,对蜂窝夹层结构翼梁进行预先等效处理,把夹层板用当量层合板模拟,将蜂窝芯子看作一特殊单层,则复合材料蜂窝夹层梁模拟成了复合材料层合结构梁。以质量最轻为目标函数,以材料的设计许用应力和单元满足应变要求作为约束函数,利用MSC.NASTRAN对当量复合材料层合结构梁进行尺寸优化设计,得到最优蜂窝芯子厚度、各铺层角度的铺层厚度。按照层合板铺层设计一般原则得到合理的单层铺层角度以及铺层顺序。
关键词：蜂窝夹层结构,翼梁,蜂窝芯子,复合材料,优化设计
参考文献
[1]杨乃宾,章怡宁.复合材料飞机结构设计[M].北京:航空工业出版社,2002.
[2]中国航空研究院.复合材料设计手册[M].北京:航空工业出版社,2001.
[3]袁家军,等.卫星结构设计与分析[M].北京:中国宇航出版社,2004.
[4]夏利娟,金咸定,汪庠宝.卫星结构蜂窝夹层板的等效计算[J].上海交通大学学报,2003,37(7):999-1001.
[5]李为吉,宋笔锋,孙侠生,等.飞行器结构优化设计[M].北京:国防工业出版社,2005.
[6]隋允康.函数变换下的满应力设计方法[J].应用力学学报,1987(4).
捅马蜂窝教学设计 第2篇
教学目标:
1、品读、抓重点词句，深入了解课文内容。
2、感悟文本，体会课文内涵。
教学重点：
抓住重点句体会作者是怎样把捅马蜂窝的情景写得紧张而扣人心弦的。
教学难点：
理解重点语句的深刻含义。
教学过程：
一、导入
1、复习。提问：《捅马蜂窝》一文主要写了一件什么事？（生说后，ppt出示）
2、导入。教师：同学们，本文按事情的发展顺序有条不紊地向我们介绍了作者小时候捅马蜂窝的原因、经过、结果；“我”对马蜂的再认识和“我”对马蜂归来的期盼。那么作者是怎样环环相扣，将意图表达清楚的呢？现在，就让我们走进课文，深入了解课文。
3、读学习目标
二、自学
（师说：首先，请同学们自由朗读6、7自然段，边读边勾画出你认为用得好的词语，并想一想，这些词语为什么用得好？）
出示自学要求：
自由读课文6、7自然段，想一想：
1、“我”为捅马蜂窝做了哪些准备？这些准备说明了什么？
2、作者是怎样把捅马蜂窝的情景写得扣人心弦的？
三、展学、评学
师：谁愿意分享你的学习情况。相机出示6、7自然段关键句子。
1、我脱下褂子蒙住头顶，用上衣的前襟遮盖下半张脸，只露一双眼，又把两根竹竿接绑起来，作为捣毁马蜂窝的武器。
（从动词中传神地透露出“我” 准备得细致周密，同时也突出了“我既想捅又害怕的心理，进而体会捅窝的紧张和扣人心弦。）
2、一些受惊的马蜂轰地飞起来，我赶紧用竿头顶住蜂窝使劲地摇撼两下，只听得‘嗵 ’，一个沉甸甸的东西掉下来，跟着一团黄色的飞虫腾空而起，我扔掉竿子往小门那边跑。
引导学生边读边想像情景。指名谈感受。（“嗵”写其声，“沉甸甸”写其沉重，“一团黄色的飞虫”用“团”来形容，只见黄色，看不见马蜂个体，写蜂群聚集之多，“腾空而起”“扔掉”“跑”等动词写出了蜂群受惊后猛然逃出可怕、紧张的情景。）指导朗读，想像、感悟。
3、“我一回头，只见一只马蜂径直而凶猛地朝我扑来，好像一架燃料耗尽，决心相撞的战斗机。”
（品读句子，找出关键词，体会，从中你感悟到了什么？ 指名反馈，重点引导：“径直而凶猛”“扑来”写出了马蜂不顾一切的气势；又用一个比喻句“好像一架燃料耗尽，决心相撞的战斗机。”写出了马蜂的拼死一搏。）感情朗读，体会感悟。
4、教师小结：从捅蜂窝到挨蜂蜇，时间不长，作者却写得生动形象，令人惊心动魄。原因是什么呢？是的，靠的就是平时观察细致，靠的是准确生动地运用一些表示动作、行为、情态的动词，靠得是细节描写这一表达方法。所以希望同学们，在平时要留心观察，并掌握一些写作技巧。
四、互学
过渡语：经历了紧张而惊心动魄的捅蜂窝的过程，我们看到了一群凶猛，好似战斗机的马蜂，那拼死的气势使我惊呆了。
出示第一个互学目标：
1、默读课文8-12自然段，想想：从爷爷的话中，我对马蜂的特性有了哪些了解？画出相关语句。
（“你不惹它，它不蜇你。它要是蜇了你，自己也就死了。”
引导学生明白：马蜂的这一特性，正是它为保卫家园而牺牲自己精神的具体体现，令人佩服。点明文章主旨。）
2、齐读课文第12段，思考：（1）“我”对马蜂的态度发生了怎样的变化?（2）面对这死去的小飞虫，为什么会有一种罪孽感沉重地压在“我”的心上？“罪孽感”表达了“我”什么样的心情？（教师小结：“我”对马蜂的态度由厌恶转为敬佩。因为“我”伤害无辜的生命，破坏了它们的家园而感到罪孽沉重。这种罪孽感更表达出了“我”的愧疚之情，要善待生命。）
注：在出示互学目标的同时注意强调学生：围绕以上问题，先独立思考，再小组合作探究，小组内每位成员充分发表自己的意见。
出示第二个互学目标：
1、默读12段，思考：这一段运用了怎样的修辞方法？你认为这样写的好处是什么？
（作者运用设问句更表达出了“我”盼“无家可归”的马蜂归来重建家园的急切心情。特别是最后一句，既突出了儿童的幼稚之举，又表达了盼归的急切，更是在呼吁我们要善待动物，善待生命。）
2、从文本中你受到了哪些启发？或者学习完课文后，你想说些什么？（引导学生深度理解：做事冒失，不经调查研究，造成的后果有时是无法弥补的，要学会为他人着想。）
六、板书设计：
准备
细致周密
要善待生命
5、捅马蜂窝
经过
扣人心弦
不冒失做事
为他人着想 结果
蜂窝梁设计 第3篇
进入21世纪,随着环境问题日趋突出和能源危机日益加剧,“绿色建筑”应运而生[1,2]。钢结构是一种新型的绿色建筑结构体系,具有受力性能好、自重轻、施工周期短、生产高效、节能与再利用率高的特点而在建筑领域得到了大力的发展和广泛的应用[3,4]。
2 混用钢号蜂窝梁实测试验
2.1 试验设置
本试验为原型结构静力试验,试验目的为检测两端简支六边形孔混用钢号蜂窝梁,在纯弯曲荷载作用下翼缘的稳定承载力。在对混用钢号蜂窝梁进行试验时在梁跨中设置侧向支撑防止梁发生整体失稳,该支撑只限制梁侧向位移而不限制梁竖向位移。
在对混用钢号蜂窝梁翼缘稳定承载力进行试验时,腹板高厚比符合规范的规定,根据混合水平正交试验设计方法,考虑高厚比、孔高比、翼缘宽厚比和上翼缘强度四个因素对混用钢号蜂窝梁翼缘稳定承载力的影响,上翼缘强度设置两个水平,其余每个因素设置三个水平,采用正交表L9(34)安排4因素3水平试验,设计9根试件。
2.2 试件设计
试件通过对钢板切割再焊接而成,为了防止两端剪弯段因剪力作用提前破坏,腹板采用实腹并且在支座与加载点处设置横向加劲肋,加载点处还设置了短加劲肋,所有加劲肋对称布置,中间纯弯段部分直接在腹板挖孔,翼缘局部稳定试验梁示意图如图1所示。
2.3 试验加载设计
为了确保试验顺利进行,需要对加载装置、支座和侧向支撑进行设计。对于加载装置的要求,首先要满足试验最大荷载量的要求,保证有足够的安全储备,在满足强度要求的同时,还必须考虑刚度要求,试验加载装置还要求使它能符合结构构件的受力条件。对于支座的设计要求能模拟结构构件的边界条件和变形条件,否则就失去了受力的真实性,在试验中试件一端为固定铰支座另一端为滑动铰支座。加载的荷载示意图如图2所示。
2.4 支座及支撑设置
支承试验梁的支座由简支支座和支墩组成。简支支座一端为铰支座,试验梁只能在该支座处发生转动,另一端为滑动铰支座,试验梁在该支座处既能平动又能转动。支墩用试验室里专用的纯钢支墩,其本身的强度在设计时可以满足试验的要求,足以保证在试验时不会发生沉陷或者变形。由于蜂窝梁截面较高,翼缘相对宽度比较小,为防止蜂窝梁在试验过程中发生整体失稳,需要在支座与加载点处设置侧向支撑。侧向支撑的设计不仅要满足试验的要求,而且尽可能的简单。为此,对侧向支撑进行专门的设计,使其能满足试验的要求。侧向支撑布置在两端支座和两个加载点处共有四道,每一道设置上下两个点,梁两边侧向支撑对称分布。侧向支撑由滚轴、纵梁和机械千斤顶组成,滚轴一端支撑住蜂窝梁,另一端固定在纵梁上,纵梁由机械千斤顶支撑在反力架上。
2.5 加载制度
试验加载制度是结构试验进行期间控制荷载与加载时间的关系,它包括加载速度的快慢、加载时间间歇的长短、分级荷载的大小等。结构构件的支承能力和变形性质与其所受荷载作用的时间特性有关。为了充分研究混用钢号蜂窝梁的局部稳定性,试验加载分为预载和正式加载,预加载分三级进行,每级取标准荷载的20%,再分2级~3级卸完。正式加载,在加载达到标准荷载前,每级加载值取标准荷载的20%,当荷载加到局部屈曲荷载的90%之后,每级荷载取标准荷载的10%,直到蜂窝梁局部屈曲破坏。每级荷载施加后稳定10 min,进行读数,观测变形的发展,然后再进行下一级加载。
2.6 试验量测方案设计
在两点集中荷载作用下,梁中间段受纯弯曲荷载作用,在该段内梁截面上只有正应力,因此在截面上可只布置单向的应变测点。在试件的纯弯曲段上下翼缘处布置单向应变片,以测量梁翼缘在屈曲过程中的应力。试件应变片布置图如图3所示。
3 结语
通过该试验方案的设计,我们能够在今后试验中清晰的得到高厚比、孔高比、翼缘宽厚比和上翼缘强度对六边形孔混用钢号蜂窝梁在纯弯曲荷载下对翼缘局部稳定承载力的影响及六边形孔混用钢号蜂窝梁局部失稳破坏形态。
参考文献
[1]罗文君.不同孔状下蜂窝梁的整体稳定分析[D].长沙:湖南大学,2011.
[2]沈祖炎,李元齐,张元植.绿色建筑与钢结构[J].武汉勘察设计,2014(4):26-28.
[3]梁嘉.纯剪切状态下蜂窝梁腹板的局部稳定分析[D].长沙:湖南大学,2011.
《捅了马蜂窝》教学设计 第4篇
双城市永胜乡中心校
赵 爽
设计理念：
体现语文课程是一门学习语言文字运用的综合性、实践性这一课程性质，以朗读这种有效方式，走入文中的意境，加深对课文内容的理解与感悟，使学生在朗读中感悟语言、积累语言、发展语言，掌握由现实产生联想这一表达方法，从而提高学生的语文素养，同时也使学生在精神上受到熏陶感染，丰富学生的情感。教学目标:
1.正确、流利、有感情地朗读课文。
2.朗读课文，能够说出课文的主要内容，分角色朗读对话。
3.通过 “我”打猎途中捅了马蜂窝的故事，让学生懂得做事不要冲动、要冷静，不要逞强好胜，要考虑到事情的危险性。
教学重、难点:
1.通过了解课文内容，理解“我”思想感情的变化，让学生懂得做事不要冲动、要冷静，不要逞强好胜，要考虑到事情的危险性。
2.有感情地朗读课文，尤其是文中的对话，要根据课文的内容读出不同的语气。教学手段:多媒体课件
教学流程:
一、设置情境质疑导入
播放“马蜂窝”的短视频，再板书课题，让学生带着个性感情读一读，质疑，激趣。
（设计意图：《新课标》指出：“语文教学应激发学生的学习兴趣，为学生创设丰富多彩的教学情境。”适合的导入情境设置会激发学生的学习兴趣，引领学生进入主动学习课堂的氛围中。）
二、带疑学文，个性感知
1、自学课文。
2、汇报收获。
3、按事情发展过程把内容串一串，连一连，用三两句话概括课文内容。
（尊重学生的个性情感体验，课堂即是一个集体也是一个个性学习的地方，先让学生自由感悟学习，再加以适时引导即可）
三、研读品趣。领略语言美，进行语言文字训练。
1、找出文中对马蜂窝样子的描写和孩子们见到时的表现。
2、出示课件：体会括号里的词的表达作用，比较AB句式表达的不同，进行语言文字训练。
3、默读课文，找出激怒“我”的句子，画下来。
4、师生指导朗读，读中感悟，悟中体验。体验再朗读。感受语言文字运用。句子A：“你把枪拿来，朝马蜂窝放一枪!”挎皮带的孩子推了我一下说。
（1）提问：这句话对人物的什么描写？
（2）扮演角色，进入情境体验，进行动作表演。谈感悟。（3）把感悟带回文本，再读句子。体会语言运用。句子B：“嗤！”一个头发淡黄的孩子发出了一个无言的嘲笑，用光脚板把一根长竿子踢到我眼前。“他哪来的枪啊？既然那么勇敢，那就让他用竿子捅吧！“怎么？不敢？”
（1）进入情境体验，用语言描述表情变化。谈感悟。（2）带着表情，再读句子。感悟语言运用。
句子C：“你干脆就说不敢得了。还装什么？当然是你呀！除了你，还有谁？
（1）这段中有什么标点符号？把反问改进陈述，体会表达的不同。把感叹句读饱满，体会标点对语言表达的作用。（2）体验人物心里活动。
（3）带着人物心里活动再读句子。感悟语言运用。
句子D：我？我不敢？我是来打猎的！我可不是胆小鬼！这个孩子的话激得我火冒三丈，我也顾不得什么了，弯腰抄起地上的长竿子，朝稻草房檐下捅去。
（1）出示句子。标出重点词
（2）提问：哪个词能准确的表现出“我”此时的情绪？（3）从动词中你体会到了什么？（4）带着体验再读句子。感悟人物心里。
5、分角色朗读扮演捅马蜂窝的过程，体会捅马蜂窝时的恐惧和紧张。
（设计意图：语文教学以语言文字运用为中心，抓住人物的语言、动作、心理描写对学生进行语言文字训练是一个很好的机会。以朗读这种有效方式，走入文中的意境，在角色转换中感悟人物心理，加深对课文内容的理解与感悟，使学生在朗读中感悟语言、积累语言，从而提高学生的语文素养，同时也使学生在精神上受到熏陶感染，丰富学生的情感。）
四、自学悟趣
1、冲动是魔鬼,大家浏览剩下的部分，看看作者得自些后果?
2、作者被马蜂蜇后心里是怎么想的？让学生说一说。
（设计意图：让学生感受到“冲动”带来的后果，体会作者心里的同时，自己同时深思感悟。）
五、再回课题，再话课题。
回到课题，用“捅了马蜂窝，你„„”对“我”说几句话。（设计意图：以话课题开始，以话课题结束，但学生的感悟会有大不同，学前是对“捅了马蜂窝疑问重重，学后是对”捅了马蜂窝“感慨重重。）
六、拓展话趣
1、和同学们分享“童年趣事”。
（学生的语言在文本意义激活的同时得到激活，利用这样的氛围，进行语言运用实践自然而然地得以展开，语言表达的能力也在此过程中得到有效锻炼）
板书设计:
捅了马蜂窝
发现马蜂窝
可怕
捅了马蜂窝
被马蜂蛰了
蜂窝梁扩张比的有限元分析 第5篇
由于蜂窝梁在钢梁腹板开孔, 变形不符合平截面假定, 目前对蜂窝梁的研究仍还不够充分。研究和工程领域对蜂窝梁的最佳扩张比还没有达到一个统一的标准:文献[1]建议实际工程中的截面扩高比采用1. 3～1. 6, 而有的文献[2]建议取为1.4。国家规范仅在《高层民用建筑钢结构技术规程》JG J99-98[3]中对开口钢梁在节点构造上作了一些要求。
本文对普通钢梁和不同扩张比参数情况下的蜂窝梁进行有限元计算, 通过对比分析说明其承载力大小变化、变形情况以及其用钢量变化, 以供实际设计时提供参考意见。
1 计算条件
本文选用中等宽度翼缘工字钢梁作为算例, 利用大型有限元通用程序ABAQUS建模分析。模型的位移约束条件:
(1) 支座节点无竖向线位移, 支座翼缘上节点无侧向线位移;
(2) 跨中截面上的所有节点无轴向线位移和侧向线位移。
本文算例取跨度为L=6000mm 的简支梁, 在其三分点位置作用分别施加竖向集中力P, 普通工字钢梁的截面取300 mm200 mm6 mm, 钢材强度fy=345Mpa。蜂窝梁的梁高通过扩张比K=H/h来确定, 其中H为蜂窝梁的梁高, h为普通工字钢梁的梁高, 蜂窝梁沿跨度方向共开10个六边形蜂窝孔, 开孔边坡的角度取α=45°。简支梁的计算简图及蜂窝孔形状如图1所示。
由图1 (b) 可知, 若蜂窝梁开孔个数为n, 简支梁跨度为L, 则:L=2a0+ (2n-1) a+2nb (1)
取a0=300mm, L=6000mm, n=8, 代入公式 (1) 可得:
undefined
又由H=h+b可得:
b= (K-1) h (3)
联立上述公式 (2) 和公式 (3) 可得不同扩张比K所对应的a值, 如表1所示:
*用钢量比为蜂窝梁的用钢量与未剖开之前普通钢梁的用钢量之比。
2 计算模型
计算采用非线性有限元软件ABAQUS6.4进行计算。钢材的材料模型采用理想弹塑性模型, 有限元模型及网格划分如下图2所示:
(a) 普通钢梁 (b) 蜂窝梁
3 计算结果
图2 给出的是普通工字钢梁和不同扩张比情况下蜂窝梁破坏时刻的变形, 钢梁两端简支, 在三分点出施加两个竖向集中荷载P, 为了更好的显示其变形情况的不同其计算结果乘以了3倍的放大系数。由图2可以看到, 当扩张比小于1.5时, 达到破坏时刻, 蜂窝梁的变形形状与普通钢梁的变形仍十分相似, 梁截面并未发生明显的剪切变形, 而当扩张比达到1.8时, 破坏时刻钢梁的变形呈现阶梯状, 钢梁截面发生的显著的剪切变形, 这说明蜂窝梁的开孔面积并不是越大越好, 当开孔面积过大时, 削弱的梁截面有可能在还未达到受弯破坏时就已经发生了剪切破坏。
表1给出了普通钢梁和不同扩张比情况下蜂窝梁的极限承载力对比情况, 由表格可以看到, 把普通工字钢梁腹板剖开而成的蜂窝梁极限承载力先随着扩张比K的增大而逐渐增大, 当K=1.5时, 极限承载力达到最大。此后, 随着扩张比的增加, 蜂窝梁的极限承载力反而减小, 当K=1.7时, 蜂窝梁的极限承载力与普通钢梁相当, 当K=1.8时, 极限承载力低于普通工字钢梁的极限承载力。
图3给出的是有限元分析的不同扩展比K时荷载 (P) -跨中位移曲线。由图可以看出, 随着蜂窝梁扩张比增大, 钢梁的荷载位移曲线逐渐上升, 表示钢梁的刚度逐渐增大, 而且极限荷载值也逐渐增大, 当扩张比达到1.5时, 蜂窝梁的极限荷载值达到最大。而且由图还可以看出, 扩张比K越接近于1.5, 曲线上升得越慢, 表示蜂窝梁刚度增加的幅度减慢, 而且极限荷载值增加的幅度也逐渐减小。当扩张比K大于1.4～1.5时, 蜂窝梁的荷载位移曲线初始下降的斜率十分接近, 说明此时再增大扩张比K对蜂窝梁的刚度和极限承载力提高已经没有多大意义了。当K>1.5时, 蜂窝梁的极限承载力反而随着极限扩张比的增大迅速减小。
4 结论
本文通过有限元方法进行了普通工字钢梁和不同扩张比时蜂窝梁的力学性能分析, 通过分析发现:当扩张比K<1.5时, 蜂窝梁的刚度和极限承载力随着扩张比的增大而增大;当扩张比K=1.5时, 蜂窝梁的极限承载力达到最大值, 此时与普通工字钢梁相比, 承载力提高36%, 用钢量节约可达到20%;当扩张比K>1.5时, 蜂窝梁的刚度随着扩张比K的增大已经不明显, 极限承载力反而迅速下降, 蜂窝梁发生弯剪破坏。计算结果表明, 蜂窝梁的最佳扩张比K宜取为1.4～1.5左右。由于六边形开口形状的蜂窝梁在角部会有不同程度的应力集中, 目前也有开孔形状为圆形或者椭圆形的蜂窝梁, 也可采用上述有限元方法进行进一步的力学性能分析。以上结论可为实际工程设计时提供一些参考。
参考文献
[1]郎婷, 赵滇生.蜂窝钢梁的强度和刚度研究[J].浙江工业大学学报, 2005, 5 (33) :538-543
[2]巩伟平, 史三元.蜂窝梁扩张比的合理选择[J].山西建筑, 2009, 4 (35) :87-88
蜂窝梁设计 第6篇
六边形孔蜂窝梁是在实腹工字钢或热轧H型钢的腹板上按一定的折线进行切割、首尾错位组装、焊接而成的带有一系列孔洞空腹梁。蜂窝梁截面高度为原型实腹钢梁的1.3倍~1.6倍, 因而较大地提高了钢梁的抗弯刚度和截面承载力, 蜂窝梁腹板的孔洞既美观又便于安设管线。总体而言, 蜂窝梁具有自重轻、抗弯刚度大、形式美观、经济等优点。因此, 蜂窝梁在工程实际应用中具有良好的发展前景。国内外一些学者或基于费氏空腹桁架法[1]或采用有限单元法[2,3,4]或提出扩大系数法[5]推导出了蜂窝梁的挠度公式。美、英、日等国早已将蜂窝梁纳入设计规范, 并给出了扩张比为1.5的各项参数, 这极大地促进了蜂窝梁的工程应用。近些年, 我国不少学者对蜂窝梁的研究虽取得了一些成果, 但研究水平与发达国家尚有一定差距。为加快我国蜂窝梁设计理论的规范化, 促进蜂窝梁在我国的工程应用, 本文运用有限元软件ANSYS, 分析了影响其挠度的主要因素, 并给出了蜂窝梁挠度设计的实用公式。
1 有限元模拟与分析
本文工字钢选用Ⅰ36a, 采用适于薄壁构件的壳单元Shell181单元[6]和经典的双线性随动强化模型[7]建立了有限元模型, 利用有限元软件ANSYS对六边形开孔的蜂窝梁挠度的影响因素进行了分析, 重点研究了扩张比及跨度与挠度的关系, 并与等高同规格实腹梁 (与蜂窝梁等高同规格) 及原型实腹梁进行对比。
1.1 蜂窝梁的有限元模型
Shell181单元是具有强大的非线性功能、大变形及应力刚化功能的典型壳单元, 用于蜂窝梁的模拟非常适合。本文所建的有限元模型忽略焊缝及残余应力的影响, 考虑了几何非线性和材料的非线性。考虑几何非线性, 可以准确分析材料的大变形;考虑材料的非线性, 可以较详细地分析由轴力和剪力共同作用下构件抗弯能力的充分发展[8]。支座约束采用简支约束, 通过对梁一端的下翼缘约束水平、竖向及侧向三个方向的位移、对另一端约束竖向位移和侧向位移加以实现。同时, 为了防止构件在荷载作用下发生整体失稳, 对蜂窝梁上翼缘施加侧向约束。为了防止蜂窝梁腹板在集中力作用下过早发生局部失稳, 在支座处设置了支撑加劲肋。有限元模型如图1所示。
1.2 蜂窝梁挠度影响因素分析
由欧美等国家的蜂窝梁设计规范可知, 当蜂窝梁的跨度太小或扩张比K<1.3时, 采用蜂窝梁并不能得到预期的效果。本文对跨度为9 m~15 m, 扩张比K (蜂窝梁或等高同规格实腹梁的截面高度H与原型工字型钢的截面高度h之比) 为1.3~1.9的蜂窝梁进行了模拟与分析。通过数值模拟可以发现, 原型实腹梁的挠度远大于同跨度的蜂窝梁和等高同规格实腹梁。跨度为10 m蜂窝梁的扩张比—挠度曲线如图2所示。当梁跨度不变时, 等高同规格实腹梁和蜂窝梁的挠度随扩张比的增加都减小, 且实腹梁的挠度比等高同规格的蜂窝梁小, 当扩张比K>1.5时蜂窝梁的挠度减小缓慢, 这是由于随着扩张比的增加, 梁高和抗弯刚度逐渐增加, 同时孔洞对腹板的削弱作用越来越明显, 剪力和截面次弯矩引起的挠度增加[9]。取蜂窝梁的扩张比K=1.5, 跨度为9 m~15 m, 通过数值模拟可得蜂窝梁跨度和挠度的关系曲线, 如图3所示。由图3曲线的变化趋势可知, 随着跨度的增加, 蜂窝梁、等高同规格实腹梁及原型实腹梁的挠度都变大, 但原型实腹梁挠度增长速率远大于蜂窝梁和等高同规格实腹梁;蜂窝梁和等高同规格实腹梁跨度与挠度关系近似一致。这是由于与原型实腹梁相比, 蜂窝梁和等高同规格实腹梁抗弯刚度和截面承载力明显增大, 而蜂窝梁由于腹板孔洞的削弱作用相对等高同规格实腹梁而言, 抗弯曲变形的能力略有不足。
2 蜂窝梁的挠度计算公式推导
蜂窝梁弯曲变形过程与实腹梁相似, 故本文只考虑弯矩产生的挠度, 并在此基础上考虑由于孔洞对腹板削弱产生的挠度增大系数, 定义蜂窝梁等效抗弯刚度EIm与等高同规格的实腹梁抗弯刚度EI的比值为修正系数β, 即β=EIm/EI。
均布荷载作用下简支实腹梁挠度可由式 (1) 计算:
其中, v为实腹梁挠度;q为均布荷载;l为梁跨度;E为钢材弹性模量;I为实腹梁截面惯性矩。
均布荷载作用下简支蜂窝梁挠度可由式 (2) 计算:
其中, vm为蜂窝梁挠度;Im为蜂窝梁截面惯性矩;其他参数含义同式 (1) 。
由式 (1) 和式 (2) 得式 (3) 如下:
跨度l=10 m、不同扩张比的蜂窝梁与等高同规格实腹梁的数据对比如表1所示。通过数据分析可知, 随着扩张比K的增加, β值大体上表现为快速减小趋势。不同跨度的β与K的关系曲线如图4所示。由图4可知, 与扩张比K=1.3相比, 当K=1.5时, β值的最大降幅接近9%;当K>1.5时, 所有曲线均急剧下降, K=1.6与K=1.3时的β值相比, β值最大降幅就已接近17%。可见, 扩张比过大的蜂窝梁已不适宜于用作承重结构。
3 挠度公式拟合
由以上的分析可知, 当扩张比1.3≤K≤1.5时, K为影响蜂窝梁挠度主要因素, 当K>1.5时, 孔洞对腹板截面的削弱作用明显, 剪力和截面次弯矩产生的挠度过大, 构件不适宜作为承重结构件。本文主要以K为设计参数, 采用对数拟合的方法进行等效抗弯刚度修正系数β计算公式的拟合, 形式如下:
其中, 建议K值取1.3~1.5。在GB 50017-2012钢结构设计规范征求意见稿中, 给出了蜂窝梁挠度计算公式如式 (5) :
其中, Mkmax为梁跨中最大弯矩标准值;I0为当量实腹梁的截面惯性矩;η为考虑空腹截面影响的增大系数;[v]为受弯构件的挠度允许值。
为验证拟合公式的准确性, 现将以上两式的计算结果进行对比, 例如, 取K=1.4, 跨度为15 m, 均布荷载为5 k N/m, β=0.931, 规范公式算得蜂窝梁在此均布荷载下挠度为0.052 m, 等高同规格实腹梁挠度为0.046 m, 则由规范公式可得到β=0.885, 以此类推, 两式结果对比如图5所示。可见, 本文公式计算结果β大于规范公式, 则本文公式计算的挠度小于规范结果, 即若采用式 (4) 进行蜂窝梁设计偏于经济, 采用式 (5) 则会偏于安全。
4 结语
本文利用有限元软件ANSYS分析了蜂窝梁弯曲变形的全过程, 找出了影响挠度的主要因素, 并给出了实用的挠度计算公式, 对该新型构件的推广和应用具有积极意义。经过数值分析, 本文得出了如下结论:
1) 由于孔洞对蜂窝梁腹板截面的削弱作用, 扩张比K>1.5时, 剪切变形产生的挠度不可忽略。
2) 与同跨度原型实腹梁相比, 蜂窝梁的抗弯刚度和截面承载力大幅度提高。
3) 其他因素相同的情况下, 蜂窝梁的挠度随着扩张比K的增大而减小, 当K>1.5时, 增加扩张比对构件挠度的贡献作用并不明显。这是由于孔洞对腹板截面削弱过大, 因此除特殊要求外, 不建议在工程上使用。
4) 修正系数β随扩张比K的增大而减小, 且减小作用显著。扩张比K=1.3的蜂窝梁的β值与K=1.9的蜂窝梁挠度相比, 减小了31%左右, 尤其当K>1.5时, 蜂窝梁的抗弯刚度明显小于等高同规格实腹梁, 故扩张比K取1.3~1.5为宜。
5) 当扩张比1.3≤K≤1.5时, 可用式 (1) 指导设计规范进行简化计算及辅助设计, 可取得较好经济效果。
摘要：利用有限元软件ANSYS, 采用板壳单元和双线性随动模型, 对六边形开孔的蜂窝梁在均布荷载作用下的挠度进行了数值模拟与分析, 确定了影响其挠度的主要因素, 并与实腹梁相对比, 给出了适用于工程应用的挠度设计公式。
关键词：蜂窝梁,挠度计算,扩张比,修正系数
参考文献
[1]李鹏飞, 王新敏, 袁泉, 等.基于等效面积法的蜂窝梁挠度计算方法研究[J].石家庄铁道大学学报 (自然科学版) , 2011, 3 (24) :8-11.
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5G蜂窝网络架构设计研究 第7篇
一、接入方面的技术
在进行接入方面的工作中, 技术人员可以采取控制免于数据面相分离的方法进行, 其主要内容如下:一是要进行覆盖与容量相分离, 通过这样的方法, 可以在未来实现网络技术对相应的单独优化设计, 随后, 技术人员可以根据业务的实际需求进行这一方面的设计, 进而较好的进行资源的掌握;二是通过基站部分对无线控制方面的功能进行抽离, 进而在一定程度上实现集中式的管理以及控制。通过这一方法, 可以实现小区间的干扰调节, 将各个无线资源进行协调, 并进行智能化管理, 达到以客户为目的的虚拟小区的建设的目的。在以上方面的基础上, 技术人员还可以通过相应的协同机制, 进而实现用户端的灵活接入, 满足用户对网络技术的需求。
二、控制云
作为5G系统的核心技术, 控制云由多个模块组成, 这些模块均有自己的功能。通过分析我们发现, 与传统网络技术相比, 5G网络技术能够将控制云各个模块的功能以及相应的结构进行深层次的集中、并将其相应的模块功能软件化、优化。通过一系列的方法, 能够向外界进行较为统一的网络能力接口。同时, 通过这些模块的功能, 控制云可以在最短的时间内进行网络状态运情况的分析, 一旦发现问题及时进行报告以及分析, 并能够及时采取相应的措施进行处理, 进而不断优化其控制系统。
三、接入云
通过分析可知, 现阶段5G网络的接入云存在较多的部署, 通过这一系列的部署, 可以进行集中控制的优化, 其主要内容如下。
1、资源协同的管理。
接入云可以通过集中控制模块进行相关资源的管理, 其主要机制是通过5G网络技术可以构建出十分迅速、灵活以及效率较高的协同机制, 通过这一机制, 可以在一定程度上实现资源之间的管理, 从而不断提高网络资料的利用效率, 为用户提供一个完美的体验。
2、无线网络虚拟化。
根据网络不同参与方的不同需求, 5G网络要进行不同的网络虚拟化才能满足不同方面的定制。首先, 通过将网络底层时、频、码、空、功率等资源抽象成虚拟无线网络资源;其次, 技术人员要根据网络运行的实际情况, 进行这一资源的切片管理;随后根据不同参与方的实际需求, 例如, 运营商、用户等, 来进行灵活的资源分配以及网络的控制, 从而提高网络资源的利用率。
3、虚拟小区的建立。
在进行虚拟小区建立的过程中, 技术人员要根据其实际情况以用户为中心, 针对多层次、复杂的通信网络, 将相关控制指令与相应的功能进行解耦, 并按照网络的实际需求, 分别进行无线控制相关信息的传送服务以及相应承载服务的建立, 从而在一定程度上不断提高这一网络的工作效率, 实现各个接入信息与承载资源之间的相互会和, 进而积极提高虚拟小区的建设水平。
四、转发云的建设
运营商为了不断提高能网元的转发效率, 技术人员要积极进行相应转发云方面的建设以及研究。根据分析我们可以发现, 5G网络可以根据其业务的实际要求, 利用相关软件进行相应转发路径的确定, 在一定程度上提高能网元的转发效率。
五、总结
综上所述, 现阶段随着社会经济以及相关信息技术的飞速发展, 传统的网络技术已经无法满足人们的需求, 因此, 为了满足不同人们的需求, 5G网络技术应运而生。通过分析发现, 要想不断提高5G技术的应用效率以及网络运行效率, 我们除了要对相应的软件进行研究, 我们还要对网络构建系统进行分析。在此, 根据现阶段5G网络技术的发展现状, 对5G蜂窝网络架构设计过程中的关键问题进行深入的探讨, 希望能够不断提高其网络运行效率。
摘要：为了进一步满足移动业务的要求, 5G网络技术在进行发展过程中, 不仅仅要进行无线接入技术的发展, 同时还要对其无线网络构架进行深入的分析以及探讨。通过无线网络构架的建立可以进一步促进其5G技术的发展, 因此, 我们要重视这一方面的分析, 在此, 对设计过程中的关键问题进行探讨。
关键词：5G,蜂窝网络架构,设计研究
参考文献
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[2]尤肖虎, 潘志文, 高西奇, 曹淑敏, 邬贺铨.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学:信息科学, 2014, 05:551-563.
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蜂窝梁设计范文
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