采用矢量型转动变量的二维协同转动梁元法

基于先进的协同转动法, 建立可以考虑大位移大转角问题的二维三节点等参梁元公式. 首先将协同转动坐标系固定在单元中部节点上, 并随节点的刚体转动和平动而运动, 然后计算单元节点坐标和位移, 便可排除单元刚体位移的影响, 从而显著降低建立单元切线刚度矩阵的复杂性. 在该梁元中定义了一组矢量型转动变量, 以精确描述梁单元的几何变形, 这种变量为单元节点方向矢量分量的较小值. 采用这种变量, 可以通过简单的矢量变换即可建立起局部变量与整体变量之间的关系, 从而非常方便地将局部单元切线刚度矩阵转换到整体座标系下. 此外, 引入Lagrangian插值函数来描述单元几何形状和位移场, 采用Green应变和第二Piola-Kirchihoff 应力张量来计算应变能, 再通过对单元应变能进行一阶和二阶微分, 得到单元内力矢量和对称的切线刚度矩阵. 通过几个算例分析, 验证了该有限元法的可靠性和计算效率.     

新型九节点协同转动四边形弹塑性壳单元

为求解板壳结构的弹塑性大变形问题,发展了一种新型九节点协同转动四边形壳单元.与现有的其他协同转动壳单元相比,由于在单元中采用了增量可直接累加的矢量型转动变量,大大降低了非线性增量求解过程中更新转动变量的难度,且在整体与局部坐标系下能得到对称的单元切线刚度矩阵,单元的计算效率得到明显提高.在单元公式中,引入了von Mises材料屈服准则,采用向后欧拉迭代法进行材料本构关系的隐式积分,并选用一致材料模量矩阵.为减轻闭锁现象的不利影响,单元中还引入了假定应变法.通过2个典型算例,证明了这种新型九节点协同转动四边形壳单元在求解板壳结构弹塑性大变形问题时的计算精度和收敛性是令人满意的.     

转动矩阵在弯扭屈曲和几何非线性分析中的研究

薄壁钢梁在利用有限单元模型进行弯扭屈曲分析和三维非线性分析中,都可以通过转动矩阵来得到位移-应变的非线性关系,因此转动矩阵的精度决定了应变的准确性.在弯扭屈曲中,利用小转动理论可以得到较新势能方程,但分析的结果会高于实际值,而大转动理论可得到传统势能方程,会更接近实际值.在几何非线性分析中,由小转动理论得到的几何刚度矩阵,当结构发生空间有限转动时,边角结点弯矩会产生不平衡的附加力矩,导致结点不能保持平衡和转动连续性,需要对相应的连带力矩矩阵进行修正.而由大转动理论得到的几何刚度矩阵能保持结点平衡和转动连续性,但该单元不能通过刚体检验.     

梁元修正拉格朗日法的刚体检验和节点力计算

分析梁单元修正拉格朗日法的刚体检验和增量节点力计算.根据欧拉 伯努利假定,推导考虑2阶效应的截面转角表达式,得出转角不仅与横向位移导数有关,还与轴向位移导数有关.采用虚功原理,推导出符合刚体检验的几何刚度矩阵,指出几何刚度矩阵不满足刚体检验的原因是采用了转角与横向位移导数的线性假定.分析多种计算增量节点力的方法;利用同一刚度矩阵计算增量节点位移、增量节点力,得出欲求构形的节点力向量后,必须通过由已知构形到欲求构形的近似坐标变换得到欲求构形单元的轴力、剪力、弯矩和扭矩.数值计算结果表明,采用切线刚度矩阵计算增量节点力的方法是有效的,几何刚度矩阵通过刚体检验与否对计算结果无明显影响.     

空间钢框架几何非线性分析的新梁-柱单元

基于更新拉格朗日构形的增量虚位移原理,在其势能项中引入了全部六个应力分量,考虑了结构变形过程中由于力矩空间转动引起的连带弯矩影响及弓形效应,采用可计入单元剪切变形影响的三次多项式插值函数,详细推导了考虑剪切变形及力矩转动属性的空间钢框架梁-柱单元几何非线性切线刚度矩阵.利用框架节点的平衡条件对单元刚度矩阵进行简化,得到了结构整体的几何刚度矩阵.并通过算例证明了本方法的精确度和有效性.     

计入初始应变项的平面梁单元非线性刚度矩阵

开展平面结构几何非线性分析时经常会遇到杆件含有初始应力力或初始应变的情况。由于非线性刚度矩阵中含有节点位移,矩阵运算量大,给刚度矩阵的推导带来很大困难。根据平面梁单元几何非线性方程,采用计入初始应力和初始应变项的一般性线弹性应力应变关系,导出了相应的切线刚度矩阵,利用MATLAB数学工具箱,给出了含有初始应力和初始应变的所有刚度矩阵的显式表达式,为程序编制奠定了基础。     

基于节点坐标变量的桁架大位移非线性有限元法

为求解桁架大位移问题,提出了一种基于节点坐标变量的非线性有限元法——以杆端节点坐标向量为显函变量写出单元杆端力向量表达式,由单元杆端力向量装配结构非线性平衡方程。求解时,首先根据矩阵微分理论求出单元杆端力向量关于杆端节点坐标向量的导数矩阵,由该导数矩阵装配结构非线性微分平衡方程;然后按照Newton切线法原理建立等效线性逼近方程,引入边界约束条件得到结构节点坐标的迭代公式。研究结果表明：该方法稳定性好、精度高、收敛速度快且简单易用,为求解桁架大位移问题提供了一种有效方法。     

钢管混凝土拱极限承载力分析的共旋坐标法

为提高钢管混凝土拱极限承载力分析的精度和效率,基于共旋坐标法建立了考虑材料和几何非线性的钢管混凝土拱数值分析模型．首先基于共旋坐标系下应变和消除刚体位移后的变形为线性关系,利用虚功原理无须迭代就可直接计算出该坐标系下完全粘结钢管混凝土梁单元考虑材料非线性的切线刚度矩阵,再通过结构坐标系与共旋坐标系下节点力之间及节点位移之间的总量关系及微分导出的增量关系,最终获得其在结构坐标系中考虑几何与材料双非线性的切线刚度矩阵,不平衡力完全是基于全量来计算.算例结果表明,该算法具有减少计算量、不累积误差和精度高等优点．     

板壳结构屈曲分析的非线性有限元法

为进行板壳结构的屈曲分析.采用三维退化曲壳元离散板壳结构,在 TL 列式下推导了考虑双重非线性的单元切线刚度矩阵,提出采用罚单元法处理结构加载边的位移约束条件.应用所编制的程序,进行了平板、曲壳以及板式门架的双重非线性屈曲分析.对比分析表明了方法的可靠性和有效性.     

圆柱壳结构外压弹塑性稳定性问题的半解析有限元法

本文综合考虑了几何、物理双重非线性因素的影响,对圆柱壳结构在承受外压作用下发生失稳屈曲进行了研究。几何方程采用大位移的应变位移关系,物理方程采用弹塑性分析的应力应变关系,导出了圆柱壳单元弹塑性分析的切线刚度矩阵。计算中,为了追踪失稳屈曲完整的平衡路径,在位于极值点邻域内的每一增量步中,我们采用控制弧长约束下的增量一迭代法进行计算,使计算效率大大提高。     

薄壳结构几何非线性全过程分析

本文简要推导了包括荷载刚度矩阵在内的大变形等参数薄壳单元的切线刚度矩阵，并介绍了平衡路径的跟踪方法，用自行研制的计算程序ＮＡＰＳ－１对几种薄壳结构进行了几何非线性全过程分析，讨论了结构的初始几何缺陷、和自重等因素对其屈曲线性能的影响。     

基于CR理论的近似能量守恒算法在壳元中的应用

研究了壳单元几何非线性下的结构动态响应高精度计算方法。基于CR理论,针对薄壁结构的几何非线性问题,将空间旋转矢量参数化,推导和简化了三维壳单元的切线刚度矩阵和单元内力的求解格式。针对结构非线性的动态响应分析,引入中间时间步的预估-校正的流程,发展了一种基于CR理论的近似能量守恒算法。通过一柱段静力分析验证了所推导公式的计算精度,通过非线性动态响应的算例仿真,与传统非线性Newmark方法相比在处理强非线性问题时稳定性和计算精度有了明显提高。     

几何大变形三维梁单元的U．L列式

推出了几何大变形三维梁元的坐标转换矩阵,并且给出了大转角位移的计算公式。考虑空间梁的双向弯曲,同时考虑弯曲与轴向作用的相互耦合,在平截面和小应变的假定下,采用U．L描述,基于非线性增量有限元理论,导出了考虑位移高阶项影响的三维梁单元的切线刚度矩阵,给出了相应的有限元表达式和对应的计算方式,对空间梁元的非线性有限元程序的编制有十分重要的意义。     

A hybrid-stress solid-shell element for non-linear analysis of piezoelectric structures

This paper presents eight-node solid-shell elements for geometric non-linear analyze of piezoelectric structures. To subdue shear, trapezoidal and thickness locking, the assumed natural strain method and an ad hoc modified generalized laminate stiffness matrix are employed. With the generalized stresses arising from the modified generalized laminate stiffness matrix assumed to be independent from the ones obtained from the displacement, an extended Hellinger-Reissner functional can be derived. By choosing the assumed generalized stresses similar to the assumed stresses of a previous solid element, a hybrid-stress solid-shell element is formulated. The presented finite shell element is able to model arbitrary curved shell structures. Non-linear numerical examples demonstrate the ability of the proposed model to analyze nonlinear piezoelectric devices. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10672111) and the Major Project of the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (Grant No. BK2006725)     

基于QR法的单层柱面网壳结构分析

为解决传统有限元方法计算网壳结构时的缺点与不足,采用结构分析QR法对单层柱面网壳结构进行研究.根据QR法基本原理,导出了单层柱面网壳结构新的刚度方程及其计算格式,利用样条节点位移参数可求出结构节点位移和杆端力.依据QR法的计算要点和有限元法流程编制了相应的计算程序,计算了某单层柱面网壳结构的节点位移和内力,并将计算结果与有限元结果作对比.结果表明:该方法是一种经济可靠的结构分析计算方法,可用于单层柱面网壳结构及其他网壳结构的计算.