索和膜结构初始形状确定的直接迭代法

在索和膜结构几何非线性分析的基础上,推导了直接迭代法的基本方程,同时给出了索和膜结构采用直接迭代法进行初始形状确定的求解方法.依据提出的形状确定方法,编制了计算程序,给出了一个典型算例的找形计算结果.较之常规的非线性位移法,直接迭代法无需组装总体刚度矩阵,并且可由任意的初始非平衡态得到平衡态,可有效地应用于索和膜结构的初始形状确定.     

充气式索膜结构的找形分析

充气膜结构本身需要通过压差作用才能形成完整的结构,从而具备一定的刚度来支撑自重和外载荷.为加强结构的承载能力,通常会增设强度更大的索结构进行调整. 对于充气式索膜结构,找形分析在形状设计和优化中具有十分重要的作用,而压差对结构的形态分布有显著的影响,是找形分析中的重要因素. 针对充气式索膜结构受压差作用的特点,基于非线性有限元找形方法,提出压差预置法的概念,并且与节点平衡法相结合来实现优化.在此基础上,针对飞艇索膜结构的具体设计要求,提出了多目标优化的找形分析方案,先结合使用压差预置法和节点平衡法,寻找出满足索和膜结构的应力比值的几何外形;然后,通过等比例缩放的方法调整大小,最终得出满足设计体积大小的几何形状. 结果表明,采用该方法找形后的索的应力为找形前的2倍,更加充分的发挥了增强索的承载作用,同时,膜的最大应力有所降低,应力分布更加均匀,整体结构的承载能力得到了加强,对于解决实际工程问题具有重要的参考意义.     

劲性支撑穹顶结构找形分析

针对索垂度在施工成形过程中不可忽略的问题,采用悬链线单元模拟索,依据胡克定律、小应变假设和变形协调方程等条件,推导了索原长的计算公式,给出了一种已知任意一个正值求解索原长度的二分法。在正交索网结构中,采用该二分法求得的索原长与已知条件给出的索原长进行对比,其误差均不超过0.16%,且不同初始值计算得到的索原长差别不大。针对劲性支撑穹顶结构的找形分析问题,给出了一种FEDR法,即有限元动力松弛法,以期提高动力松弛法的计算精度和可靠性。给出了找形分析的求解策略,并通过FORTRAN语言和ANSYS的APDL语言编制找形分析程序。对正交索网和跨度为71.2m设两道环杆的肋环型劲性支撑穹顶结构进行找形分析,ANSYS有限元分析与FORTRAN语言找形程序求得的杆件内力进行对比,其误差均不超过0.42%。     

松弛悬索体系几何非稳定平衡状态的找形分析

对于施工阶段松弛悬索体系的找形分析,体系的几何不稳定性将引起结构的刚度奇异,使仅适用于稳定结构分析的常规方法失效.针对此问题,基于"力密度法"的基本思想,提出-种给定单元原长的松弛悬索体系的找形方法.从单索特性分析入手,直接推导节点坐标和外荷载之间关系的基本方程,避免了刚度矩阵的建立.同时采用抛物线索单元,考虑了索的垂度效应.通过一个正交索网和一个悬挂索环的算例分析,验证了该找形方法的精确性和有效性.     

车辐式结构找形分析的逐点去约束法

车辐式结构是一种双层索系的柔性结构,需要通过找形分析确定结构的初始预应力态.与索膜、索网结构等柔性结构不同,车辐式结构的找形分析不是用给定的预应力值寻找结构位形,而是从给定的位形出发求解可能存在的预应力分布情况.目前已有的找形方法有平衡矩阵理论、力密度法、动力松弛法、非线性有限元法等.除了非线性有限元法外,其他方法都难以直接通过通用有限元软件进行找形分析.本文在平衡矩阵理论的基础上,将车辐式结构整体找形问题转化为针对每个节点处3个索杆单元的计算.通过使每个节点在预应力作用下达到设计位形,求出结构初始应力态的预应力分布.这种方法不但能够直接用于有限元软件的计算,还能够判定结构的初始应力态是否存在.     

基于温度循环迭代精确施加斜拉桥初始索力

为了准确施加斜拉桥的恒载初始索力,提出了一种基于ANSYS平台控制温度索力迭代施加的方法,从而精确施加斜拉桥初始成桥索力.以设计索力作为目标值,考虑斜拉桥几何非线性因素,初始索力以初始温度的形式施加到斜拉索上,运用APDL二次开发软件编制了斜拉桥成桥索力迭代计算程序,并将该程序应用于双塔双索面钢-混凝土叠合梁斜拉桥结构分析中.结果表明,桥塔两侧斜拉索的计算索力与目标索力误差均在5%以内,该初始索力迭代方法具有方便快捷和效率高的优点.     

控制索原长求解索张拉力的反分析法

为对预应力空间钢结构的施工成形进行系统的研究,提出了基于控制索原长求解索张拉力的反分析法.从预应力状态开始,通过控制每一级张拉索的原长,进行非线性有限元迭代计算,求出索在分级分批施工时的控制力.方法的优点在于计算简单,省去了通用有限元需要反复试算的缺点.应用编制的程序对一弦支穹顶模型进行了施工过程的模拟分析,结果表明:反分析法能精确模拟结构的施工成形过程,且在整个过程中,每根索只需张拉一次,简化了施工工艺.     

大跨径钢管混凝土拱桥缆索吊装非线性分析

建立了大跨径拱桥吊装的空间有限元模型，采用随动坐标迭代法，计入几何非线性的影响因素,基于优化理论，建立了缆索吊装扣索力的优化数凄模型；采用前进分析方法，对大跨径钢管混凝土拱桥吊装施工过程进行分析。以某主跨368m钢管混凝土拱桥为工程算例，验证了文中方法的有效性。计算结果表明，考虑几何非线性影响后，计算得到的吊装控制点偏差值小，计算精度高。     

网状可展开天线经编金属丝网的力学性能分析

经编金属丝网是研制金属网状可展开天线的关键材料,其力学性能直接影响天线的力学和电性能,为了研究经编金属丝网的力学特性,基于线圈的几何模型,建立了网眼式经编金属丝网的三维几何模型,并采用有限元法实现了含接触问题的金属丝网静力学分析．首先,根据线圈的三维几何经验模型定义线圈形状的型值点,利用非均匀有理B样条曲线拟合得到线圈的几何模型和丝网的最小重复结构,从而得到丝网的几何模型; 其次,基于增广拉格朗日乘子法,将黏结接触状态的约束方程引入丝网的势能泛函中,建立了考虑接触问题的增量有限元求解方程,进而实现了丝网的力学性能分析;最后,通过对比丝网双向拉伸仿真与实验的数据,证明了该力学分析方法的有效性．     

悬索结构的初始形状确定分析

应用非线性有限元位移法，推导了悬索结构的几何非线性有限元方程。通过由平面将控制点移动到设计给定的几何位置，寻求了一个与给一预应力值分布及结构几何控制参数对应的平衡的形状，建立了一种悬索结构的初始形状确定分析方法。算例结果表明提出的方法是可行，实用的。     

索穹顶结构初始状态确定与成形过程分析

在研究索穹顶结构的零应力状态、施工初始几何状态基础上,着重分析了索穹顶结构的施工成形过程几何形状和单元内力变化规律,揭示索穹顶结构的初应力产生机理以及施工过程中体系的变化特征.由于索穹顶结构成形过程涉及机构运动和单元内力分析、机构位移和弹性变形耦合,采用常规的有限元方法不能求解,而非线性有限元力法是一种有效的计算方法.结果表明,在索穹顶结构成形过程中,从开始很长时间内所有单元内力均处于较低水平,此时结构是一种机构状态,节点位移主要是刚体位移.当所有索进入工作状态时结构的体系从机构转变为具有一个自应力模态的、可刚化的稳定体系,各单元的内力迅速增大.说明了索穹顶结构的成形过程,也是预应力生成的过程.     

索穹顶结构施工模拟分析

为了研究索穹顶的施工成形过程,寻找一种通用、可靠的计算方法来提高施工分析的效率与精确性,确保计算结果切实有效地指导实际工程施工,利用有限元软件ANSYS对一索穹顶结构按反分析的思想进行2种施工方案下的施工模拟计算,确定在施工过程中各控制结点的坐标值、各单元的内力值与结构的几何形状,并对2种施工方案进行了分析对比.结果表明,在结构的张拉成形过程中,单元的内力值与结构的几何形状的变化规律与施工方案有关,2种施工方案在一定条件下具有共性,各斜索对整个结构的影响由里及外依次增强.计算过程也表明,利用通用有限元软件ANSYS对索穹顶结构进行施工模拟具有通用性与高效性.     

预应力索梁结构成型过程的实用分析方法

本文基于最小势能原理,给出了预应力索梁组合结构中的索、梁单元增量形式的独立平衡方程,建立了有限索元的非线性平衡迭代列式,利用其分析了一预应力索梁结构成型过程中的几何非线性问题,并对预应力索梁结构进行了非线性有限元的数值模拟。结果对比表明,该理论分析方法能够准确有效的考虑该结构中的非线性问题,为此类结构现场成型过程提供了一种快捷、可靠的非线性理论分析方法。     

Determination of reasonable finished state of self-anchored suspension bridges

A systematic and generic procedure for the determination of the reasonable finished state of self-anchored suspension bridges is proposed, the realization of which is mainly through adjustment of the hanger tensions. The initial hanger tensions are first obtained through an iterative analysis by combining the girder-tower-only finite element(FE) model with the analytical program for shape finding of the spatial cable system. These initial hanger tensions, together with the corresponding cable coordinates and internal forces, are then included into the FE model of the total bridge system, the nonlinear analysis of which involves the optimization technique. Calculations are repeated until the optimization algorithm converges to the most optimal hanger tensions(i.e. the desired reasonable finished bridge state). The "temperature rigid arm" is introduced to offset the unavoidable initial deformations of the girder and tower, which are due to the huge axial forces originated from the main cable. Moreover, by changing the stiffness coefficient K in the girder-tower-only FE model, the stiffness proportion of the main girder, the tower or the cable subsystem in the whole structural system could be adjusted according to the design intentions. The effectiveness of the proposed method is examined and demonstrated by one simple tutorial example and one self-anchored suspension bridge.     

气承式膜结构的初始形态分析研究

对气承式膜结构在构造及正常使用上的一些特殊性进行了说明.采用非线性有限元方法对气承式膜结构进行初始形态分析,编制了相应的程序.对该类结构形式典型算例进行了初始形态分析,并将计算结果与解析解和通用有限元分析软件 Ansys 计算结果进行了校核,验证了所编程序的正确性.     

气承式膜结构的初始形态分析研究

对气承式膜结构在构造及正常使用上的一些特殊性进行了说明．采用非线性有限元方法对气承式膜结构进行初始形态分析，编制了相应的程序．对该类结构形式典型算例进行了初始形态分析，并将计算结果与解析解和通用有限元分析软件Ansys计算结果进行了校核，验证了所编程序的正确性．     

悬索桥有限元建模及动力特性分析

以四渡河大跨悬索桥为工程背景,采用AN SY S建立3D有限元模型,针对缆索承重的特点,分析了主缆初始应变对平衡构型的影响、几何非线性因素对模型的作用以及桥的动力特性.在恒载作用下,主缆的初始应变对桥面变形影响很大.不经过恒载静力分析而进行模态分析将导致很大的误差;在恒载线性静力分析后进行模态计算,与恒载非线性静力计算后的模态结果差距较小;恒载静力分析中非线性因素大位移对模态影响甚微.     

体外预应力桥梁转向块构造分析及配筋设计

建立体外预应力桥梁转向块有限元模型并进行了应力分析,根据分析结果对转向块的构造进行优化并给出设计构造建议。根据体外预应力箱梁桥转向块的主应力矢量图和主应力云图确定转向块配筋设计的B区和D区,运用“弹性应力法”建立了转向块D区设计的拉压杆模型。由平衡条件算出拉杆内力,确定配筋面积及布置,并对配筋后的转向块进行有限元分析。结果表明,用拉压杆模型法进行转向块的配筋设计是合理可行的。     

柔索动态找形技术研究

为实现索网动态抛物面成形,以索网中单根柔索为研究对象,研究了单根索动态找形技术．由于采用多杆单元代替柔索进行成形分析会带来较大的误差,因此使用两个控制节点间柔索作为一个索单元,在考虑索的自重及温度变形的情况下,建立了索单元几何与力学模型．在索单元几何与力学模型的基础上,给出了最佳悬链线拟合抛物线方法．通过仿真计算,得到了最优控制节点数目及拟合抛物线的控制节点坐标．     

大跨度纺锤形气撑式张弦梁找形分析

气撑式张弦结构是一种利用预应力建立初始刚度的新型结构体系,为研究结构在初始预应力作用下位形变化对其力学性能的影响,采用改进的逆迭代法对60 m跨度纺锤形气撑式张弦梁进行找形分析,研究了找形对结构初始态下内力分布和荷载态下极限承载力的影响,对比了该结构与桁架、传统张弦梁的力学性能和经济性.结果表明:找形后初始态上弦位形误差只有矢高的0.67%;经找形结构初始态下内力分布较未经找形结构发生明显改变,且荷载态下竖向承载力降低22.24%;气撑式张弦结构刚度较等跨度桁架和传统张弦梁要低,但用钢量要少34.80%.找形分析可有效控制大跨度气撑式张弦梁初始态位形误差,但对其力学性能影响较大.