几何非线性与徐变共同作用下三维杆系结构有限元分析

几何非线性与徐变均为大跨或高耸柔性混凝土结构分析中必须考虑的重要因素,而现有计算方法通常只单独考虑,而未考虑两者的共同作用。基于几何非线性分析的随转坐标法和徐变效应分析的初应变法,该文首先建立三维梁元在随转坐标系下计入初应变效应的几何非线性平衡方程;再利用静力平衡原则,导出三维梁元在结构坐标系下同时考虑几何非线性与徐变的平衡方程,提供了详细的分析流程,编制了相应的非线性计算程序。以某大跨径混合梁斜拉桥混凝土桥塔为例,进行了考虑混凝土徐变效应的几何非线性分析;结果表明,无论是几何非线性还是徐变,单独考虑时得到的内力和位移结果均小于考虑两者共同作用得到的结果,因此在大跨或高耸柔性混凝土结构分析中考虑几何非线性与徐变共同作用是很有必要的。     

混凝土收缩徐变分析的虚功增量方程及应用

为计算大跨柔性混凝土结构的力学响应,常需同时进行非线性与混凝土收缩徐变分析。基于非线性分析的虚功增量方程和混凝土收缩徐变的本构关系导出了用于非线性与收缩徐变耦合计算的混凝土收缩徐变分析的虚功增量方程,并将该虚功增量方程应用于杆系结构,结合拖动坐标法建立了非线性有限元格式的不平衡力的计算方法。通过算例表明,该文方法能够同时计算结构的非线性效应和收缩徐变效应,并且解的精度取与非线性的分析精度相同。     

基于退化梁单元的混凝土结构徐变分析

应用退化梁单元分析了混凝土结构的徐变问题。在实际混凝土结构中,混凝土结构的徐变与混凝土开裂等非线性行为存在相互耦合作用。退化梁单元采用了三维结构的几何和物理方程,结合分块积分技术,可以方便地模拟钢筋混凝土结构的各种非线性行为。应用Trost-Bazant方法,建立了退化梁单元混凝土结构徐变分析计算方法。算例分析表明了计算结果的正确及在实际混凝土结构徐变分析中计入非线性行为的必要性。     

基于CFD/CSD耦合的结构几何非线性静气动弹性数值方法研究

柔性飞行器在气动力作用下会发生大变形,产生结构几何非线性,线性小变形方法难以获得准确的气动弹性分析结果。基于RANs的三维N-S流场控制方程耦合非线性结构静力学方程时域分析方法,用于考虑结构几何非线性的静气动弹性分析。该方法在结构静力学方程求解上采用非线性增量有限元方法进行迭代求解,考虑结构刚度矩阵随结构位形的变化,采用径向基函数方法实现气动/结构界面的数据交换和动网格变形。在建立某型宽体客机复材机翼三维有限元模型的基础上,对其静气动弹性进行了数值仿真,分析了线性结构和考虑结构几何非线性的结构在静气动弹性作用下翼面扭转、展向位移、垂向位移以及升力系数等物理量。算例结果表明,与线性结果相比,非线性结构由于结构几何非线性的影响,在展向和垂向变形上两者存在显著差异。为准确进行柔性结构的气动弹性分析,必须考虑结构几何非线性的影响。     

计及结构阻尼的等截面梁纯弯曲振动的非线性分析

针对考虑挠度微分方程中高阶项所引起的几何非线性及材料阻尼所引起的阻尼非线性的梁，建立了梁纯弯曲振动时的非线性运动方程。利用非线性理论对该非线性问题进行了研究，得到了周期解稳定和不稳定区域的分界线方程和频率响应方程，得到忽略梁非线性因素的条件，得到了梁挠度微分方程中高阶项所引起的几何非线性项具有软特性效应等四点结论。     

考虑几何非线性效应的大展弦比机翼气动弹性分析

针对飞机飞行过程中因受气动载荷作用、机翼几何非线性效应影响气动弹性稳定性,提出考虑结构大变形几何非线性效应的大展弦比机翼气动弹性特性分析方法。通过对MSC.Nastran软件二次开发实现该方法的计算流程。考虑大展弦比机翼几何大变形对气动面网格构型影响,在每个迭代步对气动面网格进行更新,求出大展弦比机翼在给定飞行状态下的静气动弹性变形,获得考虑机翼结构几何非线性效应的刚度矩阵,并进行机翼颤振特性分析。对大展弦比机翼模型进行气动弹性特性分析计算表明,与线性气动弹性分析结果相比,考虑机翼结构大变形几何非线性效应,机翼静气动弹性变形会影响机翼动力学特性,使机翼扭转频率明显下降,导致机翼几何非线性颤振速度低于线性颤振速度。     

混凝土结构非线性徐变计算方法研究

为准确分析既有病害条件下的混凝土结构长期变形及受力行为, 该文进行了混凝土材料非线性徐变计算方法研究。以非线性弹性徐变本构理论为基础, 利用Hongnestad模型推导出材料软化系数, 提出一种新的非线性徐变本构模型, 采用初应变法进行显式迭代, 实现混凝土材料非线性徐变分析。以混凝土徐变及开裂的线性耦合假定为基础, 模拟长期持载过程中裂缝的扩展。采用ADINA用户子程序二次开发实现了相关算法, 并通过混凝土非线性徐变经典试验的对比分析, 验证了计算方法的可靠性。     

大位移小转角空间曲梁的弹性力学方程

为了提高曲线结构的分析效率建立空间曲梁几何非线性单元,在分析和总结前人关于曲梁研究成果的基础上,该文就曲梁相关方程做了更具普遍性的分析,给出了数学上更严密的结果:在几何方程方面,在作者前期工作的基础上,按小转角原则对已有结果进行简化,以矩阵形式给出了该类曲梁的几何关系;在平衡方程方面,用微分几何的思想推导了真正意义上空间双向弯、扭的曲梁平衡微分方程,并分别以矢量和矩阵的形式给出相关结果;从加权余量法和变形功相等的原则出发,推导了以截面内力和位移表达的曲梁非线性虚功方程;最后,从广义Hooke本构关系出发,推导了截面内力和截面位移之间关系表达式,为下一步建立几何非线性曲梁单元进行了必要的准备。     

大型风力机的几何非线性动态响应研究

随着风力机大型化、柔性化发展,风力机叶片的变形越来越大,几何非线性效应也越来越明显。采用自由涡尾迹方法提高风力机气动载荷计算精度,应用有限元方法建立了风力机叶片结构梁模型。应用伽辽金方法建立叶片的几何非线性刚度矩阵,同时构建了叶片的非线性动力学方程。采用Newmark直接积分法进行时间步长推进,并采用修正的Newton-Raphson方法进行增量迭代计算,实现了大型风力机叶片气动与非线性结构耦合计算模拟。最后,通过美国可再生能源实验室的Phase VI风力机实验数据验证了计算模型的准确性和可靠性。同时以大型风力机NH1500为算例,计算了叶片的线性与非线性动态响应,分析了叶片几何非线性对动态响应和气动性能的影响。这对于提高大型风力机设计水平和各个部件载荷计算准确度具有重要意义。     

基于共旋法与稳定函数的几何非线性平面梁单元

建立一个准确、高效的几何非线性梁单元对于描述杆系结构的非线性行为至关重要。该文基于共旋坐标法和稳定函数提出了一种几何非线性平面梁单元。该单元在形成中把变形和刚体位移分开,局部坐标系内采用稳定函数以考虑单元P-δ效应的影响,从局部坐标系到结构坐标系的转换则采用共旋坐标法以及微分以考虑几何非线性,给出了几何非线性平面梁单元在结构坐标系下的全量平衡方程和切线刚度矩阵;在此基础上根据带铰梁端弯矩为零的受力特征,导出了能考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式。通过多个典型算例验证了算法与程序的正确性、计算精度和效率。     

黏土蠕变非线性特性及其分数阶导数蠕变模型

针对黏土蠕变的非线性性质,以成都黏土为研究对象展开蠕变试验,发现黏土变形包括瞬时弹性变形、衰减蠕变变形、稳态蠕变变形和加速蠕变变形;黏土长期弹性模量随时间和应力的增加非线性软化;黏滞系数随应力的增加非线性软化,随时间的增加非线性硬化。基于流变学理论、分数阶微积分理论和Harris衰减函数,分别构建了分数阶导数元件、非线性弹性元件和非线性黏滞元件,从而建立了形式简单、参数较少和概念清晰的非线性分数阶导数蠕变模型。将非线性分数阶导数蠕变模型和Burgers蠕变模型进行对比拟合分析,发现非线性分数阶导数蠕变模型各阶段的拟合结果更好,对黏土非线性蠕变的描述更合理,可准确地反映黏土蠕变全过程,表明了所建立非线性分数阶导数蠕变模型的科学合理性。     

Creep buckling and post-buckling analyses for a hybrid laminated viscoelastic FGM cylindrical shell under in-plane loading

In this paper, creep buckling and post-buckling of a hybrid laminated viscoelastic functionally graded material (FGM) cylindrical shell under in-plane loading are investigated. Considering the high-order transverse shear deformation and geometric nonlinear theory, the von Karman geometric relation of the hybrid laminated viscoelastic FGM cylindrical shell with initial deflection is established. Based on the Donnell theory, elastic piezoelectric theory and Boltzmann superposition principle, nonlinear creep governing equations of the hybrid laminated viscoelastic FGM cylindrical shell under in-plane loading are derived. By means of the finite difference method and the Newton–Newmark method, the problem for creep buckling and post-buckling of the laminated shell’s structure is solved. Numerical results are presented to show effects of geometric parameters, power law index and loading on creep buckling and post-buckling of the hybrid laminated viscoelastic FGM cylindrical shell.     

A mean-field micromechanical formulation of a nonlinear constitutive equation of a two-phase composite

In this paper, a mean-field micromechanical approach has been employed to formulate a nonlinear constitutive equation and yield conditions of a two-phase composite considering plastic and creep deformation of constituent phases. The derived constitutive equation is expressed in a piecewise linear-rate form, so it can be easily combined with common structural analyses such as a finite element analysis as well as lamination theories for typical continuous fiber-reinforced composite structures. The model has taken into account the threshold creep of constituent phases and diffusional mass transfer at the inclusion/matrix interface, which play a significant role in high-temperature deformation of short-fiber-reinforced metal matrix composites. A numerical study on anisotropy in Bauschinger effect and thermal-cycling creep of SiC whisker/Al matrix composites has been made based on the developed model.     

A coupled creep damage evolution model and creep life evaluation

Due to the damage accumulation during creep deformation, creep failure after a certain service time is the most important failure mode for metal structures working at high temperatures. Considering the coupled damage evolution of geometric and material’s damage, a creep life evaluation method based on continuum damage mechanics has been proposed and examined. It is found that the geometric damage evolution model can be deduced theoretically from the creep constitutive equation, while the material’s damage evolution can be assumed in the same way as that for static fatigue problems. Through solving the coupled damage evolution models, creep lives under various stress levels and temperatures can be evaluated in a unified way, just by several material constants which can be determined by some creep tests only.     

基于徐变损伤理论的早龄期大体积混凝土化学-热-力多场耦合模型研究

受水化放热的影响,大体积混凝土在早龄期阶段涉及多个物理场作用,极易发生损伤、开裂等不利行为,会对结构服役期内的耐久性和安全性产生严重的影响。针对此问题,该文基于经典损伤理论框架,发展了一类适用于早龄期大体积混凝土的化学-热-力多场耦合模型,综合地反映了早龄期混凝土的开裂、徐变、温度变形、自收缩变形和龄期效应。通过将水化反应方程与热传导方程联立建立了化学-热场耦合作用模型。进而,基于弹塑性损伤理论框架搭建本构关系,引入考虑损伤影响的微观应力-固化理论以刻画混凝土的线性徐变和非线性徐变,根据温度和水化度的变化求解热膨胀变形和自收缩变形,并考虑了随龄期变化的混凝土力学性能的影响。结合相应的显式求解算法,将上述多场耦合模型应用于Maridal涵洞早龄期力学行为的模拟分析,并探究了混凝土徐变变形的影响。计算结果表明：该文模型可以实现对早龄期大体积混凝土开裂过程的准确模拟,对早龄期混凝土受力性能和开裂行为的研究具有一定的参考意义。     

Nonlinear constitutive equations for transient creep of viscoelastic polymers including the effect of hydrostatic pressure

The behaviour of polymers is known to be significantly influenced by the hydrostatic pressure in creep deformation or elastic-plastic deformation. The effect of the third stress invariant on the nonlinear viscoelastic deformation is much smaller than that of the hydrostatic pressure. In this paper, a constitutive equation for transient creep is proposed, which includes the effect of the hydrostatic pressure on the yield function. The creep and plastic strains or the creep strain rate converge to zero with increasing hydrostatic pressure. The proposed constitutive equation is in good agreement with the actual creep data of cellulose nitrate and cellulose acetate, under various combinations of superimposed tensile and hydrostatic loadings.     

弹性膜结构几何非线性分析的刚体准则法

提出了一种新型弹性空间膜结构几何非线性分析方法。根据刚体准则的思想，初始受力平衡的单元在经历刚体位移后，其单元结点力方向随单元发生转动而大小不变，单元仍保持平衡。建立了新型三角形空间膜单元，该膜单元由三根空间杆件组成铰接三角形，并在中间张拉薄膜而成，杆件的材料与薄膜相同。所建立的空间膜单元的整体位形由杆单元空间铰接三角形确定，而膜单元的有限弹性变形由内部张拉的薄膜变形确定。由满足刚体准则的杆单元几何刚度矩阵推导了空间膜单元的几何刚度矩阵。根据刚体准则思想，认为膜单元在变形过程中，其刚体位移对其整体变形的贡献较大，而单元的弹性变形贡献较小。采用更新的拉格朗日格式的增量迭代法，在分析的每个阶段充分考虑刚体转动效应，利用小变形线性化理论处理自然变形的剩余效应。该方法几何刚度矩阵推导简单，无需引入对单元大变形的人为假定，可容易地退化为平面膜单元，增量迭代计算过程充分考虑刚体准则，对若干典型空间膜结构算例的分析及与已有方法的比较，验证了所建单元与方法的准确性以及计算效率。     

弹性DEM方法在杆系结构中的应用研究

基于颗粒离散元方法（DEM）,结合杆系结构的特点,提出了一种适于杆系结构问题分析的DEM模型。对颗粒元相应的质量和转动惯量计算公式进行了修正;通过能量等效原理推导了杆系DEM模型分析时弹簧接触刚度系数表达式;将瑞利阻尼引入到DEM方法之中,给出了阻尼常数计算公式并用算例进行了验证。将该方法应用于杆系结构弹性分析,包括静动力与几何非线性大变形问题的空间框架结构和网壳结构等多个算例,计算结果与有限元方法结果吻合良好。DEM方法的特点是将动力分析和几何非线性分析自动包含在运动方程的计算之中,不用组集刚度矩阵,无需迭代求解。杆系DEM模型非常适宜处理杆系结构大变形及动力非线性问题,尤其是在结构进入强非线性之后的模拟分析。