基于子结构的Woodbury非线性分析方法

非线性分析是研究结构性能的重要手段,准确并高效的模拟非线性行为,对评估结构安全性具有重要意义。工程结构材料非线性行为一般仅发生在局部区域,考虑结构的局部非线性特征,往往能有效提高计算效率。Woodbury公式被应用于多种数值算法中来高效地求解局部材料非线性问题,该公式仅需对小规模的Schur补矩阵进行分解,避免了对整体刚度矩阵的分解运算。然而,Schur补矩阵通常不具备稀疏特征,且其阶数与非线性规模相关,因此,当非线性区域较大时,Woodbury公式的高效性受到限制。为此,该文提出了基于子结构的Woodbury非线性分析方法,该方法将Schur补矩阵分解为若干个子矩阵,大幅降低了非线性分析过程中Schur补矩阵的规模。最后将该方法应用于某钢框架结构的动力非线性分析,并从精度和效率两方面与传统Woodbury法做了对比;结果表明：该文方法在保证计算精度的前提下改善了Woodbury公式的计算性能,进一步拓宽了其适用范围。     

多边形比例边界有限元非线性高效分析方法

比例边界有限元法作为一种高精度的半解析数值求解方法,特别适合于求解无限域与应力奇异性等问题,多边形比例边界单元在模拟裂纹扩展过程、处理局部网格重剖分等方面相较于有限单元法具有明显优势。目前,比例边界有限元法更多关注的是线弹性问题的求解,而非线性比例边界单元的研究则处于起步阶段。该文将高效的隔离非线性有限元法用于比例边界单元的非线性分析,提出了一种高效的隔离非线性比例边界有限元法。该方法认为每个边界线单元覆盖的区域为相互独立的扇形子单元,其形函数以及应变-位移矩阵可通过半解析的弹性解获得;每个扇形区的非线性应变场通过设置非线性应变插值点来表达,引入非线性本构关系即可实现多边形比例边界单元高效非线性分析。多边形比例边界单元的刚度通过集成每个扇形子单元的刚度获取,扇形子单元的刚度可采用高斯积分方案进行求解,其精度保持不变。由于引入了较多的非线性应变插值点,舒尔补矩阵维数较大,该文采用Woodbury近似法对隔离非线性比例边界单元的控制方程进行求解。该方法对大规模非线性问题的计算具有较高的计算效率,数值算例验证了算法的正确性以及高效性,将该方法进行推广,对实际工程分析具有重要意义。     

基于Woodbury+OpenMP的结构非线性地震反应并行分析方法EI北大核心CSCD

非线性地震反应分析已成为评价工程结构抗震性能的重要技术手段,随着结构规模的增大,非线性引发的大规模刚度矩阵迭代更新成为制约结构分析效率的关键因素。基于Woodbury公式的结构非线性地震反应分析法(Woodbury方法)是一类新型高效数值分析方法,此类方法利用结构在地震作用下的局部非线性特征,能够在保证较高迭代收敛速率的同时有效避免结构刚度矩阵实时变化及由此导致的计算效率低下。然而,当前相关研究均基于串行计算模式,并未充分利用计算硬件的并行计算能力。引入OpenMP模式对Woodbury方法进行并行加速,提出了一种用于结构高效非线性地震反应分析的并行计算方法,该方法首先将每个迭代计算步划分为非线性相关系数矩阵计算更新、基于Woodbury公式的位移响应求解、单元状态确定3个主要计算部分,随后通过建立非线性相关系数矩阵的分块计算方法,将Woodbury公式的计算过程拆解为6个可并行的计算步,对各单元状态进行单独判定,分别建立了适用于三者的OpenMP并行加速策略,实现了算法的全过程并行优化。最后,通过对一个高层结构进行地震反应分析验证了该方法的准确性和高效性。     

土-结构相互作用对储液结构动力反应的影响研究

在对大型工程结构进行地震反应分析时土-结构相互作用通常不可忽略,然而,结构本身巨大的体量及考虑土-结构相互作用后引入的大范围土域模型导致计算规模通常十分庞大,由此引起的计算效率低下问题已成为制约此类结构性能分析的关键因素。该文提出一种新型土-结相互作用分析方法,并基于此实现了大型结构考虑土-结构相互作用的高效地震反应分析,建立不同接触状态下的单元法向和剪切相对位移分解方法;采用三维无厚度Goodman接触面单元格式对土与结构的接触行为进行描述,并通过插值方法对单元非线性变形进行描述,推导出隔离非线性的接触面单元控制方程;在此基础上,建立了大型工程结构考虑土-结构相互作用的整体式计算模型和高效地震反应分析方法。由于该文方法在每次迭代求解过程采用Woodbury公式计算结构响应,其仅需对一个规模极小的局部非线性矩阵进行迭代更新,避免了传统方法所需的结构大规模整体刚度矩阵实时更新分解,因而能够大幅度提高结构地震反应分析效率,数值算例验证了该文方法的有效性及高效性。

     

基于隔离非线性的实体单元模型与计算效率分析

实体有限元模型计算中往往需要较多的计算单元与结点数量,且这些单元状态判定以及大规模的刚度矩阵分解将消耗大量的计算资源,计算效率低。该文基于隔离非线性法理论建立了线性四面体与六面体等参单元分析模型,采用直接积分格式的6积分点替代六面体等参单元的8高斯点作为非线性应变插值点,能够在保证计算精度的同时提高单元状态判定效率。控制方程采用Woodbury公式与组合近似法联合求解,使得整个求解过程只有矩阵回代以及矩阵与向量的乘积,进一步提高了求解效率。基于时间复杂度的计算效率分析表明：随着结点自由度数目的增加,该文方法的计算效率相对传统变刚度法显著提高,数值算例验证了实体单元模型的正确性以及算法的高效性。     

砖砌体双向受力单元非线性分析模式

本文借鉴了前人的试验研究,在假定砌体单元为材料主方向的正交各向异性体的基础上,建立了应力增量和应变增量关系式。并应用正交各向异性体弹性常数转换方法,推导出在应力主方向的切线刚度阵,并由此建立了砖砌体双向受力单元非线性分析模型,应用于墙梁结构计算,与试验结果比较吻合。     

隔离非线性分层壳有限单元法

分层壳单元由于其模型简单,物理意义清晰,被广泛应用于建筑结构的有限元数值模拟中。该文基于隔离非线性有限元法提出了分层壳单元的高效非线性分析模型,将分层壳单元的截面变形(应变和曲率)分解为线弹性变形和非线性变形,以单元中面的高斯积分点作为非线性变形插值结点,建立了非线性变形场,并根据虚功原理,推导了分层壳单元的隔离非线性控制方程,采用Woodbury公式和组合近似法联合求解控制方程。依据时间复杂度理论的统计分析表明:该文建立的方法相较于传统变刚度有限元方法在非线性分析效率方面具有显著优势。并与有限元软件ANSYS的计算结果进行对比,验证了该文方法的准确性。     

砌体结构的发展现实情况

从三个方面简要介绍我国建国以来砌体结构的应用、新型砌体材料、结构的研究和砌体结构理论研究方面取得的成就。并对未来我国砌体结构的发展提出建议。     

采用自适应Woodbury公式的框架结构高效动力分析与易损性计算方法

地震易损性分析是评价工程结构抗震安全性的重要手段,但在计算过程中通常需进行大量的动力时程分析,这导致其计算效率通常较低。该文旨在建立框架结构强震下的高效动力分析与倒塌易损性计算方法。使用纤维梁单元建立框架结构数值分析模型,引入隔离非线性理论进行局部材料弹塑性行为模拟,并通过对考虑P-Δ效应的几何刚度进行矩阵分解和摄动变换,提出了能够同时对局部材料弹塑性行为和几何非线性行为进行隔离表达的纤维梁模型控制方程,结合Woodbury公式进行控制方程求解,所提方法在结构动力非线性分析时能够避免整体刚度矩阵的反复更新,显著提升了求解效率;为克服动力Woodbury公式对时间步长选取的限制,进一步建立不同时间步长下该公式中相关系数矩阵的预处理机制和自适应调度机制,提出了基于自适应Woodbury公式的框架结构高效动力分析方法,在此基础上结合多条带法,建立了结构倒塌易损性曲线的快速计算方法。使用一个9层框架结构验证了所提方法的高效性和准确性。     

浅析砌体结构裂缝的控制措施

根据工程实践和统计资料这类裂缝几乎占全部可遇裂缝的80％以上。而最为常见的裂缝有两大类,一是温度裂缝,二是干燥收缩裂缝,简称干缩裂缝。在简要总结分析砌体裂缝的性质、控制原则和措施的基础上,提出了防止墙体开裂的具体构造措施建议进行探讨,提供了一定的参考依据。     

基于有限质点法的结构动力非线性行为分析

有限质点法是以向量力学为基础的崭新的结构分析方法,该文将其应用到结构动力非线性行为分析中。该方法将结构离散为质点群,采用牛顿定律描述质点的运动,通过对质点行为的模拟和分析计算结构行为。该文介绍了有限质点法的基本思想,提出了该方法分析结构“动”与“静”,“线性”与“非线性”问题的独特思路。以杆系结构为例,推导了该方法求解结构动力反应,及几何、材料非线性问题的基本公式。通过三个数值算例,验证了该方法在结构动力非线性行为分析中的正确性和适用性。有限质点法在处理动力非线性问题时无需迭代求解和特殊修正,与传统方法相比在结构复杂行为分析中有明显的优势。     

基于有限质点法的结构碰撞行为分析

有限质点法是以向量式力学为基础的结构分析方法,它将结构离散为质点群,并以结构质点的真实行为模拟为基本思想,研究表明该方法在结构强非线性和不连续行为分析中有明显的优势。该文将其拓展至结构的碰撞行为分析中,根据结构的离散模型提出了结构单元的接触侦测方法,建立了碰撞模型,推导了碰撞力的计算公式和质点内力的修正公式,并编制了基于有限质点法的结构碰撞行为分析程序。通过对两个算例的模拟和分析,验证了该方法进行结构接触碰撞行为分析的有效性。     

基于组合单元的混凝土结构徐变分析方法

对混凝土徐变的研究现状和数值计算方法做出评价,提出了混凝土结构徐变计算的空间有限元分析方法。以组合单元为基础,建立混凝土徐变的三维计算模型:将结构的变形、内力状态、结构形式及约束情况均沿时间轴进行划分,再根据结构在每个时间点上各参数的变化值,推导出了混凝土徐变计算的递推公式;又基于虚功原理建立混凝土徐变刚度矩阵,绕过应力与应变,直接通过位移增量计算自由徐变应变增量的等效荷载,提高了徐变数值计算精度;组合单元是对原有实体等参元的继承和拓展,能够分别考虑钢筋和混凝土各自对单元刚度矩阵的贡献,而两者又通过自由度变换的方法有机的结合在一起,构成一种可专门用于模拟钢筋混凝土结构的单元形式。实例分析结果表明:用组合单元做混凝土徐变分析,能够计入钢筋对徐变的阻碍作用,解决在钢筋和混凝土之间的应力重分布问题,更准确的计算出结构变形和内力变化。     

基于混合单元法的预应力混凝土梁非线性分析

利用共旋坐标法提出了一种预应力钢筋混凝土梁非线性分析的混合单元模型,在随转坐标系内,采用分层梁单元来模拟混凝土结构,带初应变的杆单元来模拟预应力钢筋,预应力钢筋杆元和混凝土梁元的变形协调则通过非线性刚臂来实现,通过刚臂单元两端节点位移和力的关系形成预应力钢筋对混合单元刚度矩阵的贡献,从而导出随转坐标系下预应力混凝土梁考虑材料非线性的切线刚度矩阵,几何非线性则由单元随转坐标系到结构坐标系的转换矩阵及其微分来体现,从而获得结构坐标系下混合单元模型的几何与材料双非线性切线刚度矩阵。数个钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土梁非线性分析算例表明：所提出的混合单元模型能较好地分析预应力钢筋混凝土梁非线性性能,具有一定的实用价值。     

基于Bouc-Wen模型的消能减震结构显式非线性时程分析

该文基于Bouc-Wen模型构造了一种2节点12自由度的显式消能器单元;利用修正的向前Euler算法实现了单元内力计算。将该文显式单元及其内力计算方法在完全自主研发的非线性有限元分析程序中完成开发。为提高显式分析效率,自主研发程序采用了CPU+GPU异构并行计算技术。通过与低屈服点钢剪切滞回试验对比,验证了该文显式消能器单元的正确性和适用性。采用该文显式消能器单元模拟某实际消能减震结构的金属消能器;基于结构整体动力分析结果,讨论了金属消能器的减震效果。     

力学映射下板壳结构的截面离散优化设计

依据力学映射的方法把离散变量优化问题转换为连续变量优化问题,通过在连续优化最优解附近构造两节模型,采用无穷小单元的无穷组合方法和变量连接术对板壳结构进行优化.同时在MSC公司的Nastran软件平台上利用其PCL语言开发出优化模块,并进行了算例的优化设计.     

基于Bouc-Wen模型的非线性结构多尺度损伤分析研究

研究基于小波变换的非线性结构多尺度损伤特征提取方法。基于Bouc-Wen模型描述结构非线性损伤的时域演化特征,在此基础上分析结构动力响应的奇异性分析与时能密度分析对非线性结构损伤的时域识别能力。分析结果表明,结构动力响应的奇异性分析在非平稳激励输入和噪声影响下不能表征结构的时域损伤特征,而时能密度分析方法则具有良好的抗噪声干扰能力,可以有效地反映非线性结构系统刚度的时域变化过程。     

基于等几何分析的参数化曲梁结构非线性动力学降阶模型研究

模型降阶方法通过构造全阶模型的低阶近似模型有效提升了求解效率,同时也保留了原阶模型的主要信息从而保证了较高的计算精度。对于结构非线性以及参数化的模型降阶问题,常需要重复计算刚度矩阵等非线性以及参数依赖项,求解效率较低。此外,当参数化模型的几何形状改变时,往往需要重复进行CAD与有限元(FEA)模型的转换,这对于复杂结构较为耗时。等几何分析采用描述几何形状的非均匀有理B样条(NURBS)插值物理场,实现了CAD与FEA模型的统一,消除了两者之间繁琐的模型转换过程,其具有几何精确、高阶连续等优点,并且几何形状在细化过程中保持不变,非常适合于薄壁类结构的分析以及参数化表达。该研究结合等几何分析、特征正交分解(POD)以及离散经验插值方法 (DEIM)研究参数化的平面曲梁结构的非线性动力学模型降阶问题。数值结果表明,基于等几何分析的POD-DEIM降阶模型能够显著提升平面曲梁结构的非线性动力学计算效率,并且该模型对于参数化以及变载荷等情形显示出了良好的适应性。     

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。     

杆系结构非线性稳定分析的一种新方法

本文提出了相对刚度参数及其衍生参数的概念,它们可以揭示和反映杆系结构全过程跟踪分析中结构刚度的变化规律。根据这两个参数的特性,文中提出了确定自动荷载增量参数的新方法,较好地解决了稳定分析中全过程跟踪技术中的疑难问题。文中通过实例来说明相对刚度参数的确定和应用,表明本文分析方法是正确的和有效的。