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板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是指用板片組成錐體單元，按網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的曲面形狀將錐體單元拼接成整體，各錐頂再用桿件有規(guī)律地相互連接所形成的一種新型結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受力性能合理，可充分進(jìn)行板材的強(qiáng)度分析和剛度分析，才能發(fā)揮材料的最大效用，同時(shí)集承重、圍護(hù)、裝飾為一體，輕質(zhì)高強(qiáng)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，并且具有鮮明的建筑視覺效果。
網(wǎng)殼得到了廣泛的應(yīng)用，由于復(fù)合材料板材輕質(zhì)、高強(qiáng)氣比強(qiáng)度比普通鋼材高很多，具有強(qiáng)度和彈性性能的可設(shè)計(jì)性，特別適合應(yīng)用于板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的預(yù)制錐體單元。文獻(xiàn)對(duì)玻璃鋼板材在板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究，只是對(duì)板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，沒有對(duì)組成錐體單元的復(fù)合材料板件自身的一系列力學(xué)問題進(jìn)行研究，材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有同時(shí)進(jìn)行。但是復(fù)合材料具有各向異性、不均勻性、低層間剪切模量和低層間剪切抗拉強(qiáng)度、幾何非線性和物理非線性等一系列力學(xué)特點(diǎn)，它的力學(xué)問題比均勻、連續(xù)、線彈性和各向同性的材料復(fù)雜得多，因此需要對(duì)復(fù)合材料板的受力特性及其它一系列問題作全面和深入的研究。
在復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，局部屈曲是主要設(shè)計(jì)控制因素。通過對(duì)復(fù)合材料層合板首層材料強(qiáng)度破壞和末層材料強(qiáng)度破壞的比較，發(fā)現(xiàn)兩者載荷強(qiáng)度間隔過大，不利于充分發(fā)揮復(fù)合材料的潛力和優(yōu)點(diǎn)，有必要進(jìn)行層合板合理的鋪層設(shè)計(jì)，所以在復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，強(qiáng)度也是主要設(shè)計(jì)控制因素之一。本研究結(jié)合復(fù)合材料力學(xué)理論和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)板殼理論，采用ANSYS軟件先求出板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)單層板彈性主方向的應(yīng)力，然后通過Hoffman理論得到各載荷步下的每層失效值，判斷層合板首層材料破壞時(shí)的載荷破壞強(qiáng)度和末層破壞時(shí)的載荷沫層破壞強(qiáng)度，對(duì)復(fù)合材料層合板自身的強(qiáng)度和主要影響因素進(jìn)行全面和深入的研究，為復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和層合板鋪層設(shè)計(jì)提供理論上的依據(jù)。
對(duì)于復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，本研究只考慮采用上弦桿的錐頂節(jié)點(diǎn)為鉸接，底面節(jié)點(diǎn)為剛接的計(jì)算模型。在ANSYS分析模型中，桿件單元取2節(jié)點(diǎn)6自由度的空間桿單元Link8。對(duì)于三角形板的單元類型，采用4節(jié)點(diǎn)有限應(yīng)變殼單元Shell181，每節(jié)點(diǎn)6自由度。復(fù)合材料建模的難點(diǎn)是如何準(zhǔn)確模擬層合板鋪層設(shè)計(jì)，在ANSYS有限元分析軟件中，材料的坐標(biāo)系是確定材料屬性方向的坐標(biāo)系，由單元的坐標(biāo)唯一確定，要確定材料坐標(biāo)，只要確定單元坐標(biāo)就可以，復(fù)合材料Shell單元默認(rèn)的單元坐標(biāo)是以邊為基礎(chǔ)的坐標(biāo)系。在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)建模時(shí)，有時(shí)候結(jié)構(gòu)幾何比較復(fù)雜，很難用統(tǒng)一的坐標(biāo)來確定單元坐標(biāo)系，板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的層合板都是三角形，直接劃分單元，很難統(tǒng)一單元坐標(biāo)系，故板單元采用4節(jié)點(diǎn)的Shell181，并利用直接創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)和單元的建模方式，來控制單元坐標(biāo)系，這為能夠準(zhǔn)確模擬復(fù)合材料層合板鋪層設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
在復(fù)合材料層合板分析中，各個(gè)單層材料的材料性質(zhì)、纖維方向、厚度等各不相同，至少各層的纖維方向是不同的，因此各個(gè)單層對(duì)外應(yīng)力的抵抗能力也是各不相同的。復(fù)合材料層合板在一定的外載作用下，一般說不可能各層同時(shí)發(fā)生破壞，而應(yīng)該是各層逐步被破壞，所以說復(fù)合材料層合板的破壞過程是從材料首層破壞到末層的過程。本研究采用ANSYS軟件首先計(jì)算出層合板各層板沿參考軸彈元坐標(biāo)系的應(yīng)力，由于層合板各層鋪設(shè)角不同，計(jì)算出的各層應(yīng)力并不一定沿彈性主方向，為了進(jìn)行強(qiáng)度分析，尚需利用其轉(zhuǎn)化為沿該層單層板彈性主方向的應(yīng)力，然后按Hoffman強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算各層板的強(qiáng)度。采用ANSYS軟件再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分步加載靜力分析，同樣是上述的方法，求出單層板彈性主方向的應(yīng)力，通過Hoffman理論得到各載荷步上的每層失效值，判斷層合板首層破壞時(shí)的載荷層破壞強(qiáng)度環(huán)口，末層破壞時(shí)的載荷。在工程設(shè)計(jì)中一般認(rèn)為首層破壞強(qiáng)度作為最終強(qiáng)度，而且本結(jié)構(gòu)分析時(shí)并沒有考慮層合板剛度退化，即層合板中某一層失效后，層合板發(fā)生變化，但是本研究還是求出材料的末層破壞強(qiáng)度，因?yàn)閷?duì)于復(fù)合材料層合板來說，層合板的末層破壞強(qiáng)度往往要比首層破壞強(qiáng)度高很多，需要利用末層破壞強(qiáng)度來觀察首層材料破壞和末層材料破壞強(qiáng)度的間隔，以判斷層合板鋪層設(shè)計(jì)是否合理，以便充分發(fā)揮復(fù)合材料應(yīng)有的潛力。
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