基于共旋坐标法的带刚臂平面梁元非线性分析

为解决平面梁元在相交处可能存在的刚性连接问题,根据带刚臂平面梁元在受力后的运动和变形特点,该文基于共旋坐标法推导出两端带任意刚臂的平面梁元的切线刚度矩阵显式表达式,给出了不平衡力的精确全量算法,并提供了详细的计算步骤。利用该文的研究成果编制了程序,对无刚臂和有刚臂的平面梁结构进行了几何非线性分析。计算结果表明：这种非线性单元列式的正确性和非线性求解过程的收敛性,实用价值较强。     

基于分段悬链线理论的悬索分析矩阵迭代法

通过分析现有悬索计算的主要方法,在分段悬链线解析计算方法的基础上,结合求解非线性方程组的牛顿迭代法,提出了适用于悬索分析的矩阵迭代方法.根据解析推导给出了悬索矩阵迭代法的切线刚度矩阵构造方法,分析了刚度矩阵的特点,针对特定的工程问题列出了悬索找形的迭代计算流程.该方法计算量小,效率高,计算精度能够满足实际工程需要.通过与其他文献的数值计算结果进行对比,验证了所研究方法的可靠性.该方法适用于悬索桥、货运索道等各类悬索结构的分析计算.     

基于UL列式的两节点悬链线索元非线性有限元分析

针对现有滑移索结构分析方法适用范围有限、精度不高的缺点,提出了一种通用、高精度的三维滑移索单元法。基于悬链线理论和Euler-Eytelwein公式,同时考虑了温度效应和滑动摩擦,分别建立了已知单元无应力索长和已知张拉力的三维滑移索单元的基本方程组;利用矩阵微分从单元基本方程组导出了单元的切线刚度矩阵;建立了滑移索结构从张拉到后期加载的全过程精细化分析流程,可实现自动调用建立的各类索单元,准确分析各滑移点的摩擦;通过3个算例的计算及与现有理论解、数值解和试验结果的比较来验证该文所提出方法的可靠性和有效性。结果表明,该文提出的三维有限元法准确可靠,计算效率较高,适用于工程中各种滑移索结构的高精度非线性分析。     

深水刚悬链线立管限位锚安装与限位链回接技术研究

刚悬链线立管（Steel Catenary Riser,简称SCR）通常用于深水浮式平台的油气输送管道,其水下端通常通过管线终端（Pipeline End Termination,简称PLET）与海底管线相连,水上端悬挂在平台上方,浮式平台与海底之间的立管呈现出悬链线构型。由于受到风浪流影响,浮式平台和立管会在一定的范围内移动,这就对海底的立管以及末端的PLET形成了拖拽力,从而可能导致管线或PLET移位或管线连接受损,导致油气泄露。SCR限位锚是采用吸力桩形式形成锚点,通过限位链连接立管管体,形成立管限位,从而保障立管的在位安全。     

悬索结构振动分析的悬链线索元法

本文介绍了由悬链线基本关系构造的悬链线索元刚度矩阵的迭代方法,对于索中张力己知原长未知的情况给出了确定悬索原长的线性搜索算法。文中建立了悬索绕平衡位置振动的动力学方程并通过香港青马大桥主索的分析计算与相应测试结果对比对本文方法作了验证。该方法优于现有的抛物线类索元方法,在悬索结构分析中具有一定的实用价值。     

悬索桥主缆初始位形的悬链线方程精细迭代分析法

悬索桥非线性有限元法采用悬链线单元精度高,推导了基于自重约束方程,求解两种设计条件下主缆初始位形的悬链线精细迭代法公式,该方法能够计算主缆变形后自重荷载集度的变化.根据索鞍的受力特点,推导了不平衡索力与索鞍预偏量之间增量函数形式的显式刚度方程,导出了索鞍弧顶主缆曲线的无应力索长的精确计算公式.算例结果表明,方法精度高,计算稳定且收敛快.     

基于整体分析的钢悬链线立管触地点动力响应分析

在立管动力平衡系统的力学模型中考虑浮式平台的惯性作用和管-土相互作用,研究在不同参数激励下钢悬链线立管触地点动力响应。基于大挠度柔性索理论,分别采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁、弹性地基梁模拟立管的悬垂段和流线段,考虑触地点处的大曲率,建立了立管的三维有限元模型,利用Galerkin方法对运动方程离散为一组非线性二阶常微分方程,运用Newmark-β法求解离散方程。通过在立管的动力方程中引入δ函数来体现浮式平台对立管的惯性和水动力影响,将悬链线立管与浮式平台作为一个整体进行动力分析,以工程中实际使用的1800m水深的钢悬链线立管为例,通过对立管顶部进行谐波激励,分别就水动力系数、管内流体密度和海床土体刚度对立管特征点动力分析的影响进行分析,研究表明：水动力系数的改变对立管触地点的动力响应的影响较为显著,主要体现在弯矩和张力幅值的增加;管内流体密度不同,触地点位置不同,表明立管在输送不同液体或气体可能发生疲劳破坏的位置也不同;而海床土刚度对立管触地点区域的弯曲应力影响较大,对轴向应力则影响不大,其结果对SCR设计具有重要的指导意义。     

深水钢悬链线立管非线性有限元静力分析

基于大挠度柔性索理论,采用可曲线梁模型模拟钢悬链线立管,考虑触地点挠度的影响,对CABLE3D程序进行了二次开发.同时考虑浮式结构运动和钢悬链线立管与海底相互作用问题,分析了Spar平台静态偏移引起的钢悬链线立管静态位形、顶张力、触地点弯矩以及挠度影响下节点有效张力的变化趋势.分析表明:浮体运动将引起立管顶张力和触地点...     

基于悬链线理论的海带打结原理研究

机械化海带打结是当今未解决的技术难题,目前研制的海带打结机难以达到产业化要求的99%的打结成功率. 为了研究海带打结机的海带成结原理并提高海带打结成功率,利用悬链线理论对海带打结过程进行了分析. 建立了海带线的悬链线数学模型,提出了端点等高、端点不等高和受到端点外其他约束等各种悬链线方程的解法,分析了海带线打结过程中4个不同阶段所处的状态,通过将海带线在4种状态下的空间曲线向指定平面投影的方法研究了打结原理,结果表明海带线符合扭转打结法的条件,证明了此种海带打结方法的正确性和可行性,为提高海带打结机打结成功率提供了理论上的指导.     

基于扭转悬链线结构的高效手性吸波器

近年来,超构表面(metasurface)作为一种人工二维结构由于其超薄的几何结构以及灵活的电磁调控能力受到了学界的广泛关注,如何进一步提高超构表面器件的性能成为了该领域的研究热点。悬链线电磁学(catenary electromagnetics)作为一类新兴的超构表面设计原理为设计高效率超构表面器件提供了新的思路和方法。本文提出了一种基于扭转悬链线结构的超构表面,其能够实现对不同旋向入射的圆偏振电磁波的高效选择性吸收。仿真结果表明所设计的器件在工作波长处对左旋圆偏振电磁波吸收率接近于1,而右旋圆偏振入射时吸收率小于22%,其对应的二向色性大于78%。同时,文章分析了产生高效率手性吸收的物理机制并且提出了一种基于该类结构的信息加密方法。该工作在手性成像与手性探测等领域具有一定的应用前景。     

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。     

四边形八节点共旋法平面单元的几何非线性分析

不同于大部分共旋法研究中所选取的局部坐标系原点及采用的几何一致性原则,该文通过改变局部坐标系原点位置,基于场一致性原则,采用共旋坐标法导出了四边形八节点平面单元在大转动、小应变条件下的几何非线性单元切线刚度矩阵,该单元刚度矩阵虽然不对称,但计算量能明显减少,这在非线性计算中对于减小由于计算机位数限制带来的累积舍入误差和...     

索的非线性有限元与调索方法研究

介绍了索单元几何非线性刚度的各种模拟方法并进行了评述,采用悬链线理论推导了一种新的柔性索单元切线刚度矩阵及单根柔索的各种非线性计算公式,用变形后线密度q的回代来反应弹性伸长和温度的影响,概念清晰、公式简洁、迭代效率高;还介绍了用增量调索法、绝对索力调索法、无应力索长调索法进行索单元张力的施加及调整的原理,而无应力索长并配合螺母旋转角度调索法可实现任意次序调索,操作性强、效率高、精度好。     

含有整体刚体位移杆件系统的几何非线性分析

许多杆件系统中,结构和机构共同存在.应用现有有限元理论很难分析这些杆件系统的几何非线性效应.该文引入多组坐标:总体坐标系、物体坐标系、单元坐标系、节点坐标系和截面坐标系,介绍了一种含刚体位移杆件系统几何非线性效应的共转坐标方法.该文假设梁单元交叉节点为刚性连接,即:节点坐标系和截面坐标系之间的坐标转换矩阵始终不变,明确...     

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。     

两节点曲线索单元精细分析的非线性有限元法

从UL列式的虚功增量方程出发,引入索的基本假定,推导出了两节点曲线索单元切线刚度矩阵的显式;同时根据索的特性还导出了精确计算索单元索端力的表达式,从而建立起了一套完整的对拉索进行精细分析的非线性有限元法.应用本文方法,可进行大跨度悬索桥、斜拉桥以及张拉结构等的非线性有限元分析计算.算例结果表明,本文方法是精确有效的.     

考虑刚体转动的钢悬链线立管出平面运动分析

随着油气资源勘探和开发活动不断向深海发展, 钢悬链线立管(SCRs)成为深海浮式生产系统油气输送的首选立管。该文在钢悬链线立管动力学模型研究中提出一种新模型：SCR刚体转动模型, 该模型基于SCR悬垂段大曲率的考虑, 假定立管为绕悬挂点与触地点连线形成的转动轴的刚体转动系统, 并将该转动效应以惯性力和水动力阻尼的形式与立管弯曲振动耦合, 进行立管的出平面运动分析。数值模拟算例表明, 刚体转动效应对钢悬链线立管的动力响应具有较大影响, 为立管动力分析中不可忽略的运动分量。     

索结构分析的滑移索单元法

为了分析索结构中索段在鞍座上的滑动问题,创建了一种新的单元。单元算法的推导基于有限元分析的基本原理,并利用了处于平衡状态时单元内力之间的关系。被称为“滑移索单元”的新单元可以模拟索段被滑轮或鞍座支承。它可以通过自动调整两侧索段的长度使单元处于平衡状态,从而简化了计算。新单元可以直接用于常规的有限元分析中,研究处于工作状态或在施工中的索结构。介绍滑移索单元的推导过程,用设计算例验证了它的正确性,并举例说明了它在实际工程中的应用。