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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，可充分進行板材的強度分析和剛度分析，才能發(fā)揮材料的最大效用，同時集承重、圍護、裝飾為一體，輕質(zhì)高強，具有良好的經(jīng)濟效益，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)、高強氣比強度比普通鋼材高很多，具有強度和彈性性能的可設(shè)計性，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。文獻對玻璃鋼板材在板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進行了初步研究，只是對板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行整體分析，沒有對組成錐體單元的復(fù)合材料板件自身的一系列力學(xué)問題進行研究，材料設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有同時進行。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度、幾何非線性和物理非線性等一系列力學(xué)特點，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)計控制因素。通過對復(fù)合材料層合板首層材料強度破壞和末層材料強度破壞的比較，發(fā)現(xiàn)兩者載荷強度間隔過大，不利于充分發(fā)揮復(fù)合材料的潛力和優(yōu)點，有必要進行層合板合理的鋪層設(shè)計，所以在復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，強度也是主要設(shè)計控制因素之一。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的載荷破壞強度和末層破壞時的載荷沫層破壞強度，對復(fù)合材料層合板自身的強度和主要影響因素進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)計和層合板鋪層設(shè)計提供理論上的依據(jù)。
對于復(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)點為鉸接，底面節(jié)點為剛接的計算模型。在ANSYS分析模型中，桿件單元取2節(jié)點6自由度的空間桿單元Link8。對于三角形板的單元類型，采用4節(jié)點有限應(yīng)變殼單元Shell181，每節(jié)點6自由度。復(fù)合材料建模的難點是如何準(zhǔn)確模擬層合板鋪層設(shè)計，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。在進行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)建模時，有時候結(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)點的Shell181，并利用直接創(chuàng)建節(jié)點和單元的建模方式，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)計奠定了基礎(chǔ)。
在復(fù)合材料層合板分析中，各個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，因此各個單層對外應(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，計算出的各層應(yīng)力并不一定沿彈性主方向，為了進行強度分析，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強度準(zhǔn)則計算各層板的強度。采用ANSYS軟件再對結(jié)構(gòu)進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的載荷層破壞強度環(huán)口，末層破壞時的載荷。在工程設(shè)計中一般認(rèn)為首層破壞強度作為最終強度，而且本結(jié)構(gòu)分析時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度，因為對于復(fù)合材料層合板來說，層合板的末層破壞強度往往要比首層破壞強度高很多，需要利用末層破壞強度來觀察首層材料破壞和末層材料破壞強度的間隔，以判斷層合板鋪層設(shè)計是否合理，以便充分發(fā)揮復(fù)合材料應(yīng)有的潛力。
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