采用界面单元协调子结构方法研究

子结构混合试验在研究复杂工程时,需要针对不同物理的物理性质划分子结构,比如土和结构,这些子结构的单元类型和网格划分通常不同,为了使混合试验更灵活地划分子结构,该文提出利用界面单元方法,基于广义变分原理,将两子域凝聚在边界上的刚度矩阵与界面单元刚度矩阵组装成耦合结构的整体刚度矩阵,进而求解新的平衡方程即可得到各个耦合子域的位移。同时,将传递函数的概念引入界面单元方法中,通过二维自由度和三维自由度之间的传递函数,解决了具有不同自由度单元的子结构之间的耦合问题。最后,利用板梁受竖向地震动作用的案例验证了界面单元和传递函数结合的方法的可行性和精确性。     

基于解析试函数的内参型广义协调膜元

利用解析试函数法构造一个内参型四结点八自由度广义协调膜元。根据弹性力学平面问题的控制方程和艾雷应力函数,求出问题完备的基本解析解,然后用其作为试函数并采用广义协调条件来构造单元:ATF-GCQ4X。该单元采用了14个解析试函数构造了应变二次完备的内部场,同时引入6个附加边界位移模式,采用平衡力系为权函数构造相应的广义协调条件。数值算例表明,该类内参型单元能在不提高单元结点自由度的情况下提高单元精度,并显示出良好的收敛特性。     

Ⅰ型和Ⅱ型Dugdale模型解析元列式及其半解析有限元法

利用弹性平面扇形域哈密顿体系的方程,通过分离变量法及共轭辛本征函数向量展开法,推导了两个圆形奇异超级解析单元列式,这两个超级单元能够分别准确地描述Ⅰ型和Ⅱ型Dugdale模型平面裂纹尖端场。将该解析元与有限元相结合,构成半解析的有限元法,可求解任意几何形状和载荷的Ⅰ型或Ⅱ型裂纹基于Dugdale模型的裂纹尖端塑性区尺寸和裂纹尖端张开位移(CTOD)或裂纹尖端滑开位移(CTSD)的计算问题。对典型算例的计算结果表明方法简单有效,具有令人满意的精度。     

采用SemiLoof型约束条件的薄板矩形广义协调元

本文采用SemiLoof型约束条件,建立一个十二自由度的薄板矩形广义协调元。单元自由度只含角点位移,不含Loof结点位移、单元间的协调条件全部采用点型协调条件,不采用积分型协调条件。此单元吸取广义协调元和SemiLoof元的双重优点,消除其缺点,成为同类低阶薄板单元中的最优单元。     

基于界面单元的子结构协调技术

该文提出一种用于协调子结构的界面单元方法。基于广义变分原理,将两子域的刚度与界面单元刚度组装成耦合结构的整体刚度矩阵,求解新的平衡方程即可得到各个耦合子域的位移。界面单元的意义是对子域引入边界力,并建立边界上平衡关系和位移协调关系。该文利用悬臂梁单轴受拉案例验证了界面单元方法的精确性。为了使得界面单元能够应用到子结构混合试验中,引入静力凝聚与BFGS方法,这样只需通过提取边界上的力与位移即可实现多子域不共节点的边界协调问题。该文最终以悬臂梁案例验证了界面单元在解决非线性静、动力加载工况下的正确性。     

平板网架结构分析的超级样条子域法

本文探讨了一种求解网架结构的半解析数值方法－超级样条子域法，不计网架杆件为布状况，将网架结构划分为超级子域，并等代为各向同性或正交和向异性中厚板。考虑中厚板的非经典变形效应，用双三次Ｂ样条函数的乘积形式逼近板的位移，推导了超级子域的刚度方程，并吸收子结构法的优点组装和求解总体结构方程。     

运动方程自适应步长求解的一个新进展——基于EEP超收敛计算的线性有限元法

该文采用最简单的Galerkin型线性单元,对运动方程构建了简捷高效的单步法递推公式;进而基于EEP超收敛计算技术,开发了单元步长自动优化和结点位移精度修正两项关键技术,可在整个时域上得到误差分布均匀且逐点满足给定的误差限的解答——堪称数值解析解。该文给出了单自由度和多自由度的数值算例以验证本法的有效性。     

斜交多肋T梁桥空间计算的有限单元法

将斜交多肋T梁桥的桥面板视为斜形板梁,肋板视为普通板梁,并在构造其位移模式时考虑了T梁桥面板剪滞效应和局部弯曲的影响,然后根据斜交多肋T梁截面位移参数的变形协调关系来组拼其单元刚度矩阵,由此提出了斜交多肋T梁桥空间计算的斜形板梁有限单元法。     

半解析有限元法分析环向加劲圆柱壳外压稳定性

采用一般有限元法分析环向加劲圆柱壳外压稳定性需要用确定的单元结点位移描述待定的各种失稳波形的变化,从而造成单元划分较多,基函数复杂,所需计算机内存大,往往使稳定性分析难于实现。本文利用半解析有限元法来分析圆柱壳的稳定性,可以利用解析的成果代替一般有限元法的离散化处理,有效地解决了用一般有限元法要遇到的难题。半解析有限元法的特点是:在位移模式中,周向引入圆环板和圆柱壳的解析函数,轴向和径向采用了离散型的内插多项式函数。由于采用了解析函数与离散函数相结合的位移模式,所以不但减少了自由度,并提高了计算精度,而且也能方便地处理各种复杂的结构及其不同的连接方式。本研究采用了几何非线性大挠度理论,据此,推导了单元的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵。在稳定性计算中,把求解失稳荷载和失稳变形形态的问题,转化为数学上求实矩阵的最大特征根及其特征向量的问题。本文最后给出了计算实例,计算结果与理论解吻合较好,说明此法是切实可行的,并且具有广泛的使用范围。     

新型四边形广义协调层合板单元

基于一阶剪切变形理论（FSDT）,本文采用面积坐标构造一种新型20自由度（每结点5个自由度）,四边形复合材料层合板单元,适合于任意铺设情形的层合板的计算。它是按如下方式构造的：（1）引入平面内双线性位移场来体现层合板面内与弯曲的耦合作用;（2）单元每边的剪应变由Timoshenko层合厚梁理论来确定,对单元域内的剪应变场进行合理的插值;（3）将四边形面积坐标法与广义协调理论相结合,求解单元挠度场。针对位移复合材料板单元提出了一种新型应力杂交化后处理方法来改善单元计算应力的能力,使位移型单元可以简单和正确地预测层合板的应力,特别是层间横向剪应力的解。本文单元,记为TACQ20,不存在剪切闭锁现象,对位移和应力都可以得到高精度的结果。     

多跨简支曲线轨道折线梁桥空间振动分析模型

提出了一种多跨简支曲线轨道折线梁桥的空间振动分析模型,采用20自由度的梁段单元,可方便考虑T型梁横向与竖向弯曲、自由扭转、约束扭转等变形,选取正交流动坐标,建立了曲线轨道折线梁桥的动力特性矩阵,特别适用于曲线轨道折线梁桥与列车的空间振动分析。在实例研究中,计算了提速列车通过32m曲线轨道折线梁桥时的空间振动响应,并检算该桥是否具有足够的刚度及良好的运营平稳性,可供有关部门参考。     

梁杆结构二阶效应分析的一种新型梁单元

推导了一种计及梁杆二阶效应的新型两结点梁单元。首先依据插值理论构造了三结点Euler-Bernoulli梁单元的位移场:使用五次Hermite插值函数建立梁单元的侧向位移场,二次Lagrange插值函数建立梁单元的轴向位移场,进而由非线性有限元理论推导了单元的线性刚度矩阵和几何刚度矩阵,然后使用静力凝聚方法消除三结点梁单元中间结点的自由度,从而得到一种考虑轴力效应的新型两结点梁单元。实例分析表明,此新型梁单元具有很高的计算精度,使用此单元进行梁杆结构分析可获得相当准确的二阶位移和内力。     

二维泊松方程问题Lagrange型有限元p型超收敛算法

该文针对二维泊松方程问题的Lagrange型有限元法提出了一种p型超收敛算法。该法受有限元线法对二维问题降维思想的启发,基于网格结点位移的天然超收敛性,通过从网格中取出一行对边相邻的单元作一子域,将子域内各单元另一对边解答取为原有限元解答,在子域上建立真解近似满足的局部偏微分方程边值问题,对该局部边值问题,沿对边方向单向提高单元阶次进行有限元求解获得单元对边上的超收敛解。单元另一对边上的超收敛解可通过另一方向的单元行类似获得。在单元边超收敛解的基础上,依次取出各个单元,以单元边位移超收敛解为Dirichlet边界条件,双向提高单元阶次对原泊松方程问题进行有限元求解即可获得全域超收敛解。数值算例表明,通过简单的后处理计算本法可显著提高解答的精度和收敛阶。     

考虑剪滞效应的薄壁曲梁有限单元法

本文以最小势能原理为基础,考虑剪力滞后效应和翘曲扭转(包括二次翘曲剪切)的影响提出了一种用于分析单室或多室曲线薄壁箱型梁桥力学特性的曲梁单元,推导了单元刚度矩阵、等效节点荷载列阵。作为验证,在算例中对一双室曲线薄壁箱型梁模型的静力特性进行了分析,并将本文数值结果与试验结果和板壳有限元方法所得结果进行比较后证明了本文方法是有效的。     

带有沙漏控制的相对自由度壳元

针对一点积分的八节点相对自由度壳单元存在的沙漏现象，提出采用拟应变法解决该问题的方法，并对锁死问题进行研究。给出了带有沙漏控制的八节点相对自由度壳元内的坐标、位移插值公式，推导了拟应变的表达式，通过Hu-Washizu变分原理，建立了有限元求解方程。利用Wilson非协调位移模式，单元的计算精度得到了明显改善。算例表明：基于八节点相对自由度壳单元，本文给出的沙漏控制算法能够有效的解决线性静力问题，并且具有较高的计算精度。     

多自由度一般积分型粘弹性阻尼减震结构的 随机响应与等效阻尼

该文对任意多自由度带支撑一般积分型粘滞和粘弹性阻尼器减震结构的随机响应与等效阻尼比的解析分析法进行了系统研究。首先建立了结构一般运动方程;然后将运动方程化为振型广义坐标的微分和积分混合地震响应方程组;继而基于多自由度随机平均法理论,获得了结构随机平均Itô方程组的解析式,推导出耗能结构各振型振子的振幅与相位瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态响应方差的一般解析解;最后,基于与多自由度随机平均法分析完全相同的等效准则,建立了耗能结构各振型等效阻尼比的一般解析式,并根据CQC和SRSS组合方法,建立了耗能结构随机地震响应方差的解析式,给出了带支撑广义Maxwell阻尼器和广义微分模型阻尼器减震结构随机响应和各振型等效阻尼比的一般解析式,通过与一些典型问题的模态应变能法的计算精度对比分析,表明了所提方法的有效性,使耗能结构可直接应用反应谱法进行设计,从而建立了带支撑任意线性粘滞和粘弹性阻尼器一般耗能结构随机响应与特性等效阻尼分析的完备解析解法。     

带转角自由度的四边形六面体单元

本文提出了三个带转角自由度单元，其中一个平面四边形单元，两个空间六面体单元。对平面单元每个结点有两个线位移自由度、一个转角自由度；对空间单元，每个结点有三个线位移自由度、三个转角自由度。这些单元列式简单，其中两个无多余零能模式，数值计算表明，它们的计算精度高。     

带转角自由度的三角形三棱柱单元

本文提出了一个带转角自由度平面三角形单元、两个带转角自由度空间三棱柱单元。对平面单元每个结点有两个线位移自由度、一个转角自由度；对空间单元每个结点有三个线位移自由度、三个转角自由度。这些单元列式简单，其中两个无多余零能模式，数值计算表明，它们的计算精度高。     

多肋T形梁桥动力反应的分析

为了更加准确分析多肋T形梁桥的动力学特性,本文考虑了剪切变形、剪力滞后和剪滞翘曲应力的自平衡条件,以能量变分原理为基础建立了多肋T形梁广义位移的控制微分方程和自然边界条件,获得了相应广义位移的闭合解。以算例为基础详细讨论了剪力滞后和自平衡条件等因素对多肋T形梁桥动力反应的影响,得到了该类结构动力学特性的规律。本文解析解与有限元数值解进行了比较,说明了本文力学分析方法的有效性,本文方法丰富和发展了多肋T形梁桥的计算理论。     

解析型几何非线性圆拱单元

为研究圆拱结构几何非线性内力和位移计算以及平面内稳定分析问题,基于圆拱几何非线性静力分析模型,构造了解析位移形函数,进而利用能量法和势能变分原理,构造了解析型几何非线性圆拱单元,给出了单元列式;同时将该文模型通过理论退化,得到了不考虑轴向变形的无压缩圆拱模型,进一步得到了解析型无压缩几何非线性圆拱单元,并将此单元应用于圆拱的平面内稳定分析。研究结果表明:采用本单元模型进行平面内分岔失稳分析得到的失稳临界荷载系数与经典Timoshenko模型、Dinnik模型及静力法模型计算结果一致,相对误差为0%;平面内分岔失稳的临界荷载与平面内极值点失稳的临界荷载一致。该文单元具有解析型、高精确性以及良好的适用性,可用于任意工况下圆拱结构几何非线性位移、内力和平面内稳定分析。