弹塑性DEM方法在杆系结构中的应用研究

在颗粒离散元(DEM)方法应用于杆系结构弹性分析基础上,进一步对材料非线性行为进行了研究。引入纤维模型,将DEM方法中连接颗粒与颗粒之间的弹簧用分布式弹簧进行等效,并将分布式弹簧看作是粘结截面的若干根纤维,建立了可考虑截面塑性发展的DEM纤维模型。推导了弹塑性接触本构模型内力增量计算公式,编制了计算程序并通过算例验证了此方法在结构弹塑性分析中的适用性和正确性。最后,以跨度40m的单层球面网壳结构为例,对其进行地震弹塑性动力时程分析,模拟了结构动力响应以及杆件截面塑性发展程度。此方法可有效克服传统有限元方法在非线性分析时存在的刚度矩阵奇异、迭代不易收敛等问题。     

基于GPU的杆系离散元并行算法在大型工程结构中的应用

杆系DEM(离散元,discrete element method)是求解结构强非线性问题的有效方法,但随着结构数值计算规模的扩大,杆系DEM所需要的计算时间也随之急剧膨胀。为了提高杆系DEM的计算效率,该研究提出单元级并行、节点级并行的计算方法,基于CPU-GPU异构平台,建构了杆系DEM并行计算框架,编制了相应的几何非线性计算程序,实现了杆系DEM的GPU多线程并行计算。对杆系DEM并行算法的设计主要包括数据存储方式、GPU线程计算模式、节点物理量集成方式以及数据传输优化。最后采用大型三维框架、球壳结构模型分别验证了杆系DEM并行算法的计算精度,并对杆系DEM并行算法进行了计算性能测试,测试结果表明杆系DEM并行算法加速比最高可达12.7倍。     

静动力弹塑性分析的杆系离散单元计算理论研究

杆系离散单元法的现有研究成果均假定接触本构模型的切向弹簧仅用于描述剪力引起的纯剪切变形,这与弯曲梁理论下剪力引起的变形情况不相符。该文针对该问题重新定义了切向弹簧,并根据能量等效原理系统推导了不考虑或考虑剪切变形工况接触本构模型的切向接触刚度系数计算公式。在此基础上,提出了杆系离散单元精细塑性铰法以描述结构的塑性开展问题,推导了颗粒间的弹塑性接触本构模型。采用自编程序对两个大型网壳结构分别进行了静、动力弹塑性行为分析,验证了接触本构模型正确性和精细塑性铰法的适用性。该文将杆系离散单元法的基本计算理论系统化,并补充了杆系离散单元法的弹塑性计算理论,为结构静、动力分析提供了新思路。     

基于有限单元柔度法和刚度法的非线性梁柱单元比较研究

分别基于有限单元柔度法和有限单元刚度法理论,采用纤维模型梁柱单元编制了钢筋混凝土杆系结构非弹性分析程序。基于柔度法的梁柱单元模型的特点在于以单元截面力插值函数作为出发点,在不考虑几何非线性的前提下,总能保证单元内部截面力场分布满足平衡条件。通过构造的数值算例及钢筋混凝土双向弯曲柱反复加载试验结果与两种方法模拟分析结果的对比,对柔度法与刚度法的分析效果进行了比较研究,并对纤维模型梁柱单元解决空间杆系结构非弹性分析的有效性进行了验证。结果表明:对于结构处于强非线性阶段,尤其是对于处理下降段(软化)问题,基于柔度法的梁柱单元无论从计算效率还是计算效果上都明显优于基于刚度法的梁柱单元;纤维模型梁柱单元是目前处理空间杆系双向弯曲与变轴力耦合问题最为实用有效的单元分析模型。     

平面杆系结构几何非线性数值分析

本文基于Ｔ．Ｌ坐标，导出了梁单元的几何非线性的割线刚度矩阵和切线刚度矩阵显式，算例表明，本文的两个刚度矩阵可有效的分析平面杆系结构的几何非线性问题。     

基于有限单元柔度法和刚度法的几何非线性空间梁柱单元比较研究

分别基于有限单元柔度法和有限单元刚度法二阶分析理论,采用纤维模型梁柱单元编制了钢筋混凝土杆系结构二阶非线性分析程序;分别采用这两种方法对几个典型试验实例进行了计算机模拟分析,通过模拟分析结果的对比,对有限单元柔度法与有限单元刚度法处理几何非线性问题的效果与效率进行了比较研究。结果表明:对于几何非线性问题,尤其是对于处理下降段(非稳定阶段)问题,基于柔度法的梁柱单元无论从计算效率还是计算效果上都明显优于基于刚度法的梁柱单元,有限单元柔度法是目前处理杆系结构材料与几何双重非线性问题最为有效的分析方法。     

粘滞阻尼器减震结构的非线性动力分析

基于结构空间杆系-层模型,推导了粘滞阻尼器减震结构的附加阻尼矩阵、动力平衡方程和相对能量方程。在高层建筑结构动力分析程序HBTA中增加对粘滞阻尼器减震结构的非线性动力分析。通过具体算例,验证了本文所建议动力分析方法的正确性,并考察了粘滞阻尼器对结构的减震效果。HBTA程序可以反映结构构件和粘滞阻尼器的内力和变形。对同时包含位移相关非线性和速度相关非线性的结构动力分析做了有益尝试。     

采油井架钢结构非线性力学行为分析

本文对采油井架钢结构进行了非线性有限元分析。采用空间梁单元,通过包含单元几何刚度阵和变形刚度阵的增量切线刚度法考虑大变形问题;用杆端集中塑性法来简化材料非线性;采用弧长法迭代计算,最终可得到考虑几何和材料双重非线性情况下,井架钢结构的极限承载力。文中最后给出了A型采油井架的算例。     

柔性框架结构动力非线性分析的刚体准则法

大跨、高层等柔性结构,其动力响应往往表现出大位移、大转动等非线性特征。动力非线性问题的分析关键在于运动方程的高效稳定求解,以及单元大转动产生的结点力增量的有效计算。动力时程分析通常采用直接积分法,但对于强非线性动力问题,直接积分法难以兼顾计算精度与稳定性。该文基于几何非线性分析的刚体准则,针对杆件结构大转动小应变的非线性问题,提出了一种新型空间杆系结构动力非线性分析的刚体准则法。该方法采用满足刚体准则的空间非线性梁单元,结合HHT-α法求解结构运动方程,并将刚体准则植入动力增量方程的迭代求解过程以计算结点力增量。通过典型柔性框架算例结果表明,该文方法可以有效分析柔性框架结构的强动力非线性行为。与高精度单元相比,该文采用的单元刚度矩阵构造简明,计算过程简洁;与商业软件所用方法相比,单元数和迭代步少,精度高,适于工程应用。     

基于解析刚度模型的钢筋混凝土框架结构二阶效应分析

考虑材料非线性和几何非线性对钢筋混凝土框架进行了结构承载力分析。在结构承载力分析过程中,考虑混凝土的拉伸硬化作用,根据欧洲规范等效曲率公式提出了解析刚度计算模型;根据变形协调条件,考虑框架结构P-Δ效应和杆件P-δ 效应得到杆件的侧向变形计算公式。该文利用提出的解析刚度计算模型和框架结构侧向变形公式实现了框架弯矩重分布。将该文提出的方法的计算结果与已有的试验结果对比表明:该方法可行,框架弯矩和侧向挠曲变形随荷载增大呈现明显的非线性。     

利用部分加速度测量的结构滞回特性免模型识别

结构非线性恢复力与位移的关系即滞回特性是强动力荷载作用下结构损伤发生发展过程的直接表征,可直接用于结构耗能的定量评估。该文提出一种仅部分自由度受到激励且只有部分自由度上加速度响应测量已知时结构非线性恢复力和质量识别方法。无需结构恢复力参数化模型,利用切比雪夫多项式来描述非线性恢复力,结合无迹卡尔曼滤波算法（Unscented Kalman Filter, UKF）,在结构刚度、阻尼、质量未知情况下,实现非线性恢复力和结构质量识别。在一个多自由度数值模型中引入磁流变阻尼器模拟非线性构件,通过数值模拟验证该方法的识别效果。结果表明,该方法在仅部分自由度受激励且仅部分自由度上加速度响应时程已知时,可对结构非线性恢复力和质量进行有效识别。该方法对工程结构在强动力荷载作用下损伤发展过程的识别及耗能的定量评估具有重要意义。     

大型变压器绕组刚度系数的动力修改方法

鉴于变压器绕组刚度及阻尼特性的复杂性，提出了一种确定变压器绕组刚度系数的新方法。该方法应用模态分析中的结构动力修改与灵敏度分析理论，采用理论分析和实验相结合的方法确定变压器绕组刚度系数。由该方法确定的刚度系数既包括了绕组垫块及端圈刚度的非线性特性，又考虑了诸多材质，结构，制造，安装，环境等理论上难以考虑的影响因素。经理论分析与实验验证，证明该方法是正确、有效的，可作为变压器绕组设计，结构特性重分析及故障诊断的依据。     

含分层损伤复合材料加筋层合板的动承载能力

采用有限元方法研究了含穿透分层损伤复合材料加筋层合板的动力响应和承载能力。根据复合材料层合板一阶剪切理论, 推导了复合材料层合板单元的刚度阵和质量阵列式;同时采用Adams 应变能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法, 构造了相应的阻尼阵列式;为了防止在低阶模态中分层处出现的上、下子板不合理的嵌入现象, 建立了含分层损伤复合材料加筋层合板动力分析中分层分析模型和虚拟界面联接模型。并采用Tsai提出的刚度退化准则和动力响应分析的精细积分法, 对在动荷载作用下含分层损伤复合材料加筋层合板结构进行了破坏和承载能力分析。通过典型算例分析, 分别讨论了外载频率、分层深度、筋的位置以及破坏过程中刚度退化对含损伤复合材料加筋层合板动力响应特征和承载能力的影响, 得到了一些具有理论和工程价值的结论。     

Dynamic behavior of delaminated plates considering progressive failure process

The paper is to study on dynamic response behavior of the delaminated composite plates considering progressive failure process. A formula of element stiffness and mass matrices for the composite laminates is deduced by using the first-order shear deformation theory combined with the selecting numerical integration scheme. A damping model is constituted by a generalized orthogonal damping model on basis of Adams' strain energy method. A virtual interface linear spring element is also employing for avoiding the overlap and penetration phenomenon between the upper and lower sublaminates at the delamination region. The failure analysis method for the delaminated plates under dynamic loading is established by a modified Newmark direct integral method in conjunction with Tsai's failure criterion and corresponding stiffness degradation scheme. By some numerical examples, the effects of frequency of dynamic load, delamination length and location, and reduction of structure stiffness during the progressive failure process upon dynamic behavior of the delaminated composite plates are discussed. The method and conclusions would be useful for composite structures designers.     

反映阻尼影响的混凝土弹塑性损伤本构模型

通过引入有效阻尼应力和阻尼应力,提出了一种基于损伤的阻尼模型,并与混凝土弹塑性损伤本构模型相结合,建议了一类可以直接在材料层次考虑阻尼耗能影响的弹塑性损伤本构模型。当材料处于线弹性阶段,该阻尼模型退化为经典的Rayleigh刚度比例阻尼;同时,还可以描述材料非线性阶段损伤演化引起的耗能能力降低、裂缝闭合后耗能能力(部分)恢复等典型的非线性结构阻尼行为。利用建议的本构模型,通过HHT-α方法可以将结构的动力非线性分析转化为常规的无阻尼结构动力学问题来处理,十分方便有限元方法实现。对Koyna大坝的地震动时程分析结果表明了建议模型及其数值算法的有效性,可以应用于混凝土结构的非线性动力反应分析。     

基于增量谐波平衡法的含索铰可折展桁架非线性动力学特性

为了揭示含索铰可折展桁架的非线性动力学行为,建立了考虑铰链间隙、刚度和阻尼及索非线性特性的可折展桁架纯弯曲动力学模型。对非线性动力学方程进行一次泰勒展开和参量的多次谐波描述,实现了非线性动力学方程到代数方程的转化,通过迭代进行非线性动力学系统的响应计算。并利用龙格库塔方法对非线性系统进行数值分析,与增量谐波平衡(IHB)法进行对比,验证了IHB法计算的正确性。以激振频率为变化参数,对悬臂支撑的含索铰桁架结构进行解的稳定性分析,得到铰链间隙、铰链刚度、激振力和索对结构响应稳定性的影响。基于IHB法可快速准确的进行多自由度可折展结构动力学求解,为研究大型折展桁架的动力学行为奠定了基础。     

索穹顶结构非线性分析的杆索有限元法

索穹顶结构是大变形柔性组合结构，其受力分析属于几何非线性问题，求解较复杂。本文应用有限元法，结合索穹顶结构特征，提出三节点等参数索单元与两节点杆单元相结合的混合有限元模式。基于Lagrangian坐标描述法和虚功原理推导了空间拉索和杆单元的大位移刚度矩阵，并建立了索穹顶结构非线性分析的增量平衡方程，利用NewtonRaphson法进行了实例计算。结果表明，本文方法精度很高，适合于索穹顶结构的空间非线性分析。     

Clamping effects on the dynamic characteristics of composite machine tool structures

Substituting composite structures for conventional metallic structures has many advantages for structural dynamic characteristics because composite materials have the higher specific stiffness and damping characteristics than conventional materials. However, the dynamic characteristics such as the fundamental natural frequency and damping of composite structures are influenced much by their joints. In this work, the effects of clamping conditions on the dynamic characteristics of cantilever type composite machine tool structures with clamped joint were investigated to increase the natural frequency and damping of structures. In order to improve the shear property of the clamping part of composite machine tool bar, a new method for the clamping part was developed with metal core or sleeve inserted in the composite body at the clamping part. From the finite element and experimental results, suitable clamping conditions for the maximum dynamic stiffness were obtained for the composite structures with clamped joint.     

Flow–obstacle interaction in rapid granular avalanches: DEM simulation and comparison with experiment

This paper investigates the interaction between rapid granular flow and an obstacle. The distinct element method (DEM) is used to simulate the flow regimes observed in laboratory experiments. The relationship between the particle properties and the overall flow behaviour is obtained by using the DEM with a simple linear contact model. The flow regime is primarily controlled by the particle friction, viscous normal damping and particle rotation rather than the contact stiffness. Rolling constriction is introduced to account for dispersive flow. The velocity depth-profiles around the obstacles are not uniform but varying over the depth. The numerical results are compared with laboratory experiments of chute flow with dry granular material. Some important model parameters are obtained, which can be used to optimize defense structures in alpine regions.     

基体损伤对分层复合材料加筋板动力特性的影响研究

基于Mindlin假定的复合材料层合板单元和层合梁单元,推导了复合材料加筋板的刚度阵和质量阵;采用Adams应变能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法,构造了相应的阻尼阵列式;建立了分层损伤特征的三板模型和表征基体微裂纹损伤的基体损伤模型;并推导了一种基于Hertz型非线性接触法则的虚拟联接单元模型,以避免在振动分析过程中在低阶模态中分层处出现的上、下子板间不合理的嵌入现象;在上述模型和理论基础上,采用精细积分法求解含损伤结构的动力响应。对典型数例进行参数讨论,表明在动载荷作用下,嵌入分层损伤以及在振动过程中诱发的基体微裂纹损伤的演化将明显地影响加筋层合板的动力特性。