应县木塔有限元模拟

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1、摘要山西应县木塔是中国现存的唯一木塔，也是世界上现存最高的木结构楼阁式佛塔，无论从结构、用材、美观上古代木结构建筑都拥有很高的技术含量和艺术价值。但是近一千年来，塔身木材性质发生变化，承载能力减弱，而且经受了多次强烈地震和炮击的影响，其结构已经严重变形，其残损变形情况已经达到了危胁其安全的程度，因此对应县木塔进行诊断和修缮已经成为迫不及待的事情。目前对应县木塔的试验测绘工作已经取得一定的成果，但是想要进一步深入的研究还需要现代计算机仿真模拟分析技术。利用有限元理论对木塔模型进行研究，不但可以减少试验对木结构建筑的破坏，也可以大大减

2、少试验所带来的人力物力资源消耗。本文对应县木塔的现状残损情况进行了研究，通过理论分析和有限元数值模拟方法，利用大型有限元软件MSC．Patran&Nastran对应县木塔的各项性能以及其修复加固方案进行数值计算，主要做了以下几方面工作：(1)总结应县木塔的研究现状，从应县木塔的材料特性、基本结构、变形残损情况进行分析和总结。(2)建立应县木塔有限元模型，讨论不同结构部位网格处理方法。针对木塔动力学特性和修缮方式进行不同的模型处理。(3)分析榫卯结构的力学特性，对榫卯连接部位建立便于分析计算的榫、卯有限元模型，利用MSC有限元分析软

3、件得到数值计算结果与十字形试验结果模型相比对，采用响应面方法和优化迭代方法通过Matlab和C++语言编程得到榫、卯半刚性单元的参数值，进而对改进模型进行静力学分析。(4)对应县木塔进行动力学分析，得到木塔前六阶频率和振型，并与实测结果比对符合良好。对木塔一层和整体结构进行地震分析，讨论应县木塔动力特性，分析表明木塔榫卵和斗拱层有很好的抗震隔震作用，并对应县木塔整体模型进行地震分析，得到木塔最易受损部位。(5)针对应县木塔受损变形情况，对应县木塔结构变形，材料更换和加固维修问题进行有限元模型研究和初步探讨，对木塔的修复提出合理建议

4、。计算结果符合预期设想，可为应县木塔的维护和修缮提供理论依据和数值计算数据，对现代结构抗震研究也具有借鉴意义。关键词：应县木塔；榫卯结构；半刚性单元；有限元数值模拟；地震分析；修复建议Abstract'ringxlanwoodentowerisnotonlythetallestbuttheoldestexistingwoodentowerinChinaandwhetherfromconstruction,laWmaterialoroutwardappearance．itobtainshighartvalueandisworthto

5、bestudiedandresearchedbymodernpeople．Hower,thetowerhassufferedfromnaturalandman—madedamage，suchasseism，con

6、osion．Warormaterialageingnearlythousandyears．Therefore，thetowerisfacedtober印捌anditISlmportanttotakeactiontocarryoutsecurityevaluation，appraisal，protectandmaintai

7、n．Thoughthemethodofexperimenthasachievedbasicdat乱itdoeSreqmrenumericalsimulationtechniquetomakeadvancedeeplyresearch．UsingFEMtheoryisnotonlyabletoreducethedestructioncausedbytheexperimem，bmalsoextremelydecreasetheconsumingoflaborpowerandresources．Ⅵmatismemore，simulati

8、onisalsoabletocompletetests，whichtheexperimentcannotdo．Inthispaper,thedamagetypesandmechanismofthetowerhasbeanresearchedthroughtheoreticalanalysisandnumericalsimulationmethodandmemaincontentis：(1)Summarizethesituationofyingxianwoodentowerfrommaterialproperty’basicmech

9、anismofthestructuretodamagingdeformationbaSedontherel鲥vetheoryandresearch．(孙EstablishthefiniteelementmodelofthetowerusingMSC