单层网壳结构弹塑性屈曲分析的离散单元法研究

该文提出离散元塑性区法,即将任意2个球元的接触截面划分成若干小面积,通过各小面积的应力状态描述整个截面的塑性发展过程,较离散元塑性铰法更精确。该文推导了杆系离散元截面应变增量计算公式,建立了截面在三维应力-应变状态下的结构弹塑性本构方程、加卸载准则、截面内力积分公式以及计算分析流程。离散元弹塑性屈曲分析的追踪策略与弹性屈曲分析完全相同,即仍采用离散元力控制法或位移控制法。采用Fortran语言自编程序对若干单层网壳结构算例进行弹塑性屈曲分析,验证了离散元塑性区法的正确性和适用性,拓宽了离散单元法在工程领域的应用范围,为结构分析提供了新路径。     

考虑剪切和扭转变形的有限质点法纤维梁单元研究

为提高有限质点法分析结构弹塑性问题的精度,该文将纤维梁模型融入有限质点法的计算求解框架中,推导了考虑剪切变形和扭转变形的有限质点法纤维梁单元的质点内力求解公式。该单元采用Timoshenko梁理论描述梁截面变形状态,以单元纯变形分量表示截面上任一点的位移,并结合纤维材料的三维本构关系以考虑弯曲、剪切和扭转变形之间的耦合作用。数值算例的分析结果表明,该纤维梁单元能够有效地模拟结构弹塑性行为,相较于塑性铰法具有更高的精度。     

基于截面轴力与弯矩屈服面本构积分的梁-柱单元

梁-柱单元模型是杆系结构有限元分析的基础,现有的塑性铰模型和纤维模型无法兼顾计算精度与效率。该文依托Euler-Bernoulli梁理论,并以塑性理论和数值方法为基础,选用截面组合思想构建截面的轴力与弯矩的屈服面,提出了在截面内力空间上基于轴力与弯矩屈服面进行截面本构积分的平面梁柱单元。通过一悬臂柱的静力弹塑性分析和框架柱的动力弹塑性分析算例,验证了所提出的截面轴力弯矩(NM)耦合单元模型,在计算精度上接近纤维模型,在计算效率上远高于纤维模型。     

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。     

基于平衡向量的刚架结构极限承载力分析的广义塑性铰法

广义塑性铰法能够保持传统塑性铰的比例特性并据此高效求解杆系结构在多内力联合作用下的极限承载力,克服了传统塑性铰法和精细塑性铰法的局限性。但是由于未考虑前序塑性铰上轴力增量对结构平衡状态的影响,导致刚架结构在部分荷载工况下的计算结果出现较大误差。为此,该文通过建立平衡向量,提出了修正的广义塑性铰法计算格式,从而有效消除了塑性铰上轴力增量导致的不平衡状态及其对计算精度的影响。利用强度折减因子确定各构件在多内力组合作用下的修正截面强度,在此基础上利用齐次广义屈服函数定义单元承载比;根据最大单元承载比及其与外荷载之间的比例关系确定新增塑性铰的位置和荷载增量;进而利用广义屈服准则和转角位移方程建立了平衡向量,据此修正当前加载步的塑性铰位置和荷载增量,从而解决了广义塑性铰法不适用于部分荷载工况的问题;通过与不同方法对比分析,验证了该文方法具有更高的计算精度和计算效率。     

土与结构接触面土体软/硬化本构模型及数值实现

基于土与结构接触面变形特性分析,将接触面土体的剪切滑动面与单元体三维应力状态下的八面体面相对应,通过土的三维弹塑性本构模型在八面体面上的剪切应力-应变关系,建立了接触面土体剪切应力-应变关系;将接触面土体法向压缩变形与侧限压缩条件相对应,通过侧限压缩条件下的荷载变形关系,建立了接触面土体法向应力-应变关系;进一步将接触面土体切向与法向耦合,建立了接触面土体本构模型,模型只有4个材料参数,参数物理意义明确,可由等向压缩试验和常规三轴压缩试验确定。与接触面土体试验结果的对比分析表明,所建立的本构模型可较好地描述接触面土体切向软/硬化特性与法向变形规律。结合有限元软件ABAQUS,编制了FRIC模型子程序,通过模拟土与结构界面剪切滑移过程表明,编制的FRIC子程序可较好地模拟土与结构界面接触的非线性力学行为。     

空间钢框架精细塑性铰法高等分析

几何非线性单元的精度主要决定于单元恢复力的计算方法,刚度矩阵对单元精度的影响很小。建立了考虑剪切变形影响的精细塑性铰法空间梁柱单元。单元二阶效应由稳定函数考虑,采用精细塑性铰模型考虑材料非线性,可考虑截面的逐渐屈服以及由残余应力引起的分布塑性对单元刚度的削弱。单元刚度矩阵包含了轴向、弯曲和扭转位移之间的耦合效应。利用ANSYS软件的用户可编程特性(UPFs)编写了单元程序,通过连接将用户单元添加到ANSYS软件单元库中。算例分析结果表明,采用作者提出的单元时,每根杆件用一个单元模拟分析可达到很高精度,而采用ANSYS中BEAM189单元时,每根柱需3~4单元模拟才能达到合适的精度。分析结果还表明,多高层框架结构中构件剪切变形的影响不可忽略。     

临界接触参数连续的粗糙表面法向接触刚度弹塑性分形模型

基于MB接触分形理论及其修正模型,在弹性和塑性接触变形机制基础上,考虑弹塑性过渡变形机制,建立了临界接触参数连续条件下的计及微接触面积分布域扩展因子影响的粗糙表面法向接触刚度弹塑性分形模型;数值仿真结果表明:弹塑性过渡变形机制对法向接触刚度影响明显,且考虑弹塑性过渡变形机制下的法向接触刚度大于仅考虑弹性和塑性接触机制下的对应法向接触刚度;无量纲法向接触刚度随着无量纲法向接触载荷的增大而增大且因分形维数取值不同而呈凸弧性的非线性关系(分形维数D=1.1~1.4)或近似线性关系(分形维数D=1.4~1.9),随着分形维数的增大而增大(分形维数D=1.1~1.5)及分形维数的增大而减小(分形维数D=1.5~1.9),随着分形粗糙度的增大而减小,随着塑性指数的增大而增大。     

切向荷载下弹塑性材料的微观位移特性

Fujimoto(2000)研究了受切向荷载作用的微凸体在完全弹性接触或完全塑性接触条件下的微观位移特性。而实际大多数微凸体在法向荷载作用下,因材料的弹塑性性质导致其接触是很难达到完全弹性接触或完全塑性状态的。因此,如何解决切向荷载作用下处于弹塑性接触状态的微凸体的微观位移特性就显得非常重要。作者以Fujimoto模型为基础,结合Cattaneo和Mindlin理论,研究了切向荷载作用下处于弹塑性接触状态微凸体的摩擦力-微观位移关系,并给出了一个计算实例,显示该文理论模型的合理性。     

粗糙结合面法向接触的能量耗散与阻尼特性研究

为了能够预测粗糙结合面法向接触的能量耗散和阻尼的变化规律,在Hertz和Abbott-Firestone经典接触模型的基础上,提出了一种加载-卸载混合弹塑性接触模型。首先,研究单个微凸体在完全弹性和塑性接触状态下的受力特性,推导出混合弹塑性状态下接触面积和力的数学表达式,进而研究能量变化规律和接触阻尼特性。然后,通过文献中的实验数据,并且和完全弹性、塑性状态下的接触模型进行对比,验证了该模型的有效性。在此基础上,分析能量耗散和法向接触阻尼与法向变形量、硬度以及硬度指数的关系。结果表明,结合面能量耗散随着法向变形量的增加而变大,而法向接触阻尼随之减小;在法向变形量一定时,接触阻尼随着材料硬度的增加而变大,而硬度指数的影响很小。     

工程结构分析新理论及其应用

本文将第一作者于１９８３年提出的双剪强度理论和１９９０年提出的统一强度理论推广为涵义更广的统一强度理论弹塑性本构模型，并将它们在计算机程序中实现，应用于结构弹塑性分析。统一强度理论及其弹塑性本构模型和相应的统一弹塑性计算程序，包含了现有的各种主要强度理论和新的可能的强度理论，它可以适用于范围十分广泛的各种工程材料和工程结构的弹塑性分析和塑性极限分析，它们的工程应用还能取得较大的经济效益，即更有效地发挥材料的强度潜力和节省工程投资。     

基于叠加模型的橡胶元件动态特性分析

基于模型叠加理论,针对橡胶元件的动态特性开展研究。采用时间—步长法,在MATLAB中建立了一维多参数橡胶叠加本构模型。模型由弹性单元、黏弹单元和弹塑单元并联构成。黏弹单元采用Able黏壶,用于表征橡胶元件的频率依赖性;弹塑单元采用多线性理想弹塑模型,用于表征橡胶元件的振幅依赖性。对比测试结果表明:在计算谐波激励下橡胶弹簧的受力时,力—位移迟滞曲线的计算结果与测试数据能很好地吻合,刚度频率振幅依赖性和阻尼频率依赖性能被较好的表征。在计算随机激励下橡胶隔振器的受力时,高频激励下的计算结果与测试数据能较好地吻合,低频激励下有一定程度的偏差,但计算精度在工程可接受范围之内。提出的叠加模型能较好的表征橡胶元件的动态特性,能够提高动力学模型的准确性。     

基于黏塑性理论的碾压混凝土动态剪切本构模型

由于碾压混凝土大坝是逐层碾压而成,坝体层面处的静动抗剪强度均低于其本体强度,在地震、振动或冲击作用下,坝体层面(包括坝基界面)有可能发生沿层面的动态滑移失稳破坏。基于Perzyna黏塑性连续理论,提出了一个用于描述碾压混凝土层面动态剪切断裂行为的本构模型。该模型的特点有:混凝土材料的软化塑性和扩容特性直接与界面处断裂失效过程相联系;使用Carol率相关界面方程作为屈服判据来描述碾压混凝土材料的率相关性;使用经典塑性断裂理论来描述剪切面上的断裂失效和摩擦滑动过程,并且只需要较少的模型参数。利用该模型与含层面碾压混凝土的动态强度试验结果进行了对比分析,包括在不同的应力路径如单轴拉、压和压剪状态下和不同加载速率下的试验结果。结果表明模型与试验得出的结论吻合较好,这种弹-黏塑性动态剪切本构模型对预测包含薄弱层面的碾压混凝土动力破坏性能是有效的,这为相关工程问题的研究提供有益的思路和有效的工具。     

A new soft-particle DEM model of micro-particle impact integrated adhesive,elastoplastic and microslip behaviors

Micro-particle impact is a problem of solid mechanics that is common in many applications. To address this problem, a new soft-particle DEM model of micro-particle impact is proposed, which incorporates adhesive, elastoplastic and microslip behaviors. The normal force model is developed as two contiguous loading stages: the elastic stage and the elastoplastic stage in which the transition is from the elastic deformation to fully plastic deformation. Most innovative in unloading, the normal force model is also evolved into two contiguous stages: unloading under elastic loading and unloading under elastoplastic loading in which it combines Hertz elastic model and Mesarovic-Johnson plastic model. The normal force model is further assumed as the one-way coupling with pressure-based Maw tangential model with the micro-slip behavior. Further model validations are performed by employing the experimental results in literatures. The validation results indicate that model predictions agree with the experimental data, and are demonstrated to be incredibly accurate than other models, particularly for restitution coefficients and critical sticking velocity. Furthermore we can find that the smaller size particle has a longer period of nonlinear loading, while the larger size particle has a longer period of linear loading. For tangential restitution coefficient at the small incident angle, a down trend may be due to the oscillation of the tangential force.