有限元法在砌体结构分析中的应用

目的 研究有限元法在空间砌体结构分析中应用的可行性。并提出模拟砌体带裂缝损伤状态的有限元建模及分析方法．方法 进行砌体结构模型拟静力试验及脉动测试．并采用等效体积单元法对空间砌体结构模型进行有限元分析．在对有限元模型的优化更新研究中，以损伤状态下的识别刚度作为目标函数。根据结构位移、抗侧移刚度及外荷载三者的内在关系，通过调整弹性模量优化有限元模型来模拟砌体带裂缝工作状态，并对比拟静力试验及动态测试识别结果进行理论分析．结果 利用所提出的有限元建模及分析方法很好地模拟了砌体结构完好及带裂缝损伤状态下的工作特性．有限元模型计算分析结果与实测值具有良好的一致性．结论 采用等效体积单元（RVE）可以准确模拟空间砌体结构的材料特性．利用动态测试数据结合反演理论进行结构模型的优化更新方法可有效模拟砌体结构的带裂缝工作状态，并有效地考虑砌体材料的离散性问题。     

含孔洞的颗粒增强复合材料力学性能研究

研究了颗粒体积分数、粒径、材料特性和孔洞等因素对颗粒增强复合材料的影响.通过编程实现了二维RVE模型构建,并给出了周期性位移边界条件施加过程.基于ABAQUS二次开发实现均匀化方法,并用该方法计算分析了RVE的力学响应.研究表明：软化颗粒比增强颗粒对基体力学性能的影响范围大,孔洞缺陷对基体的力学性能具有严重的削弱作用.     

用有限元法对CF/PPEK热塑性复合材料等效模量计算

碳纤维增强杂萘联苯聚醚酮(CF/PPEK)是一种新型高性能热塑性复合材料.根据复合材料细观结构周期性假设,隔离出复合材料的代表性体积元———RVE(representative volume element).基于能量等效的原理,通过对RVE施加简便的边界载荷和恰当的边界条件,运用细观力学有限元法,采用有限元软件Ansys计算了复合材料的等效弹性模量.理论计算及试验结果表明该方法能够较好地预测此种复合材料的宏观弹性性能.     

三维四向编织复合材料等效弹性性能分析

在确立三维四向编织复合材料数字化单胞力学分析模型的基础上，运用均匀化方法对三维编织复合材料的等效弹性性能进行了分析计算，并讨论了编织角和纤维体积含量对此材料等效弹性性能的影响。     

基于有限元计算细观力学的复合材料宏观性能的一体化预测

基于有限元计算细观力学理论,以MSC.PATRAN为平台,利用PCL实现了RVE的参数化自动建模,建立了RVE库。并根据不同的细观力学方法,通过在后台对RVE边界条件的设置及有限元计算,集成了相应的计算程序,从而实现了复合材料宏观性能的一体化预测。最后,以单向复合材料的宏观弹性模量预测为例,展示了一体化预测系统。     

钢管束剪力墙约束下砌体结构推覆试验研究

设计制作2个具有不同边缘构件的钢管束剪力墙-砌体结构试件,并开展试验研究. 利用精细化有限元模型,分析2种边缘构件下的钢管束剪力墙-砌体结构在水平荷载作用下的力学行为,并与试验结果进行比较,验证有限元模型的可靠性. 对砌体结构的2种等效简化模型进行适用性分析. 试验和理论分析结果表明,当以钢管束剪力墙作为边缘构件时,砌体结构破坏过程表现为其先与周边约束脱开,砌体结构内部形成斜裂缝后破坏. 砌体结构具有明显的斜撑效应. 相较于单压杆模型,选用合适参数的三压杆模型可以准确反映砌体结构在侧向荷载作用下的受力特征.     

细观单元等效化方法模拟混凝土细观破坏

从非连续介质力学角度出发,提出了1种能准确模拟混凝土断裂破坏过程的细观单元等效化方法,推导混凝土细观单元的等效力学行为并数值验证了其合理性。基于细观单元等效化模型,采用扩展有限元法对单轴拉伸条件下湿筛混凝土试件的裂纹扩展过程及宏观力学性能进行数值模拟,并与细观随机骨料模型结果进行对比。结果表明：与随机骨料模型相比,细观单元等效化模型大大减小了体系自由度,在较低计算量的情况下可以获得与之较吻合的裂纹扩展路径及宏观力学性能,充分展现了该力学模型的准确性和高效性。     

砌体等效断裂韧度的实用解析方法研究

根据砌体准脆性材料的断裂特性,提出了一种基于竖向灰缝模型的求解砌体等效断裂韧度的实用解析方法.首先根据复合材料力学和线弹性断裂力学的基本原理,运用修正的剪滞理论,分区引入变异层,建立了分层剪滞模型;然后根据能量法则,推导出了求解无筋砌体等效断裂韧度的解析计算模式;最后针对相关试验数据,得到了对应数值解的解析解,且与相关试验对应的数值解相比,解析解的均方差和变异系数更小,由此可以看出,本文的解析方法具有很好的鲁棒性.结果还证明了无筋砌体等效断裂韧度是与试件尺寸无关的断裂参数.该方法为砌体结构开裂机理的研究和发展,砌体结构力学性能的研究提供了新的技术路径.     

钢筋混凝土静力等效简化模型的数值模拟

钢筋混凝土是由钢筋和混凝土构成的复合材料,属于非均质、非线性材料.在数值分析中要分别采用不同材料、单元类型模拟(即建立分离模型),这种模拟方式计算量过大,不适于对其整体结构进行分析.通过抗弯刚度等效的简化方式,建立了钢筋混凝土的均质等效模型,借助有限元软件对所建均质模型和分离模型进行了线性、非线性的静力模拟,由对结果的比较,确定简化模型的材料参数,为钢筋混凝土结构的静力模拟分析奠定基础.     

混凝土拉压强度尺寸效应的细观非均质机理

为了从材料细观非均质角度揭示混凝土强度尺寸效应机理,建立了混凝土细观单元等效非均质力学模型,开展了立方体抗拉、抗压强度尺寸效应细观数值模拟研究。研究结果表明：混凝土强度尺寸效应根源于材料细观非均质性,随着模型尺寸的增加,混凝土材料细观单元弹性模量变异系数增大,材料细观非均质性增强,大尺寸模型内部存在更多的低强度单元或缺陷,导致混凝土立方体抗拉、抗压强度降低,极限应变减小,脆性增大;混凝土损伤破坏由少量集中区域,发散扩展形成多条非贯通的裂纹带;数值模拟结果与尺寸效应实验数据相吻合。     

Behaviour of granular matter under gravity-induced stress gradient: A two-dimensional numerical investigation

Gravity is the most important load source in mining and geotechnical engineering, which causes both the stress level and stress gradient inside geomaterials. Different from the stress level, the influence of gravity-induced stress gradient on the behaviour of the material is still unknown. An in-deep study on it will help to promote the understanding of material behaviour, especially for those cases related to unconventional gravity such as terrestrial ng physical modelling and extraterrestrial resource exploitation(g is the terrestrial gravitational acceleration). In this study, a high-order homogenization for granular materials is proposed at first, in which the stress gradient is drawn into the constitutive representation by adopting a representative volume element(RVE). The consolidation and shear strength behaviour of RVE are then investigated by performing numerical biaxial tests. The results show that all the compressibility, shear strength, shear stiffness, volumetric deformation, and critical state behaviour show a stress gradient dependence. A coupling between stress gradient, stress level, and material properties is also observed. These observations suggest that, besides the stress level, extra attention needs to be paid to material responses related to stress gradient during engineering practices.     

均匀化理论在管板研究中的应用

根据复合材料力学中的均匀化理论并借助有限元方法,针对管板设计中存在的问题,对影响管板结构性能的因素进行探讨.在ANSYS分类模拟实现中,研究孔间带效率、管束、管板厚度、管子厚度4种影响当量弹性常数的变量,并将计算结果与ASME规范中采用的有效弹性常数进行比较,计算结果表明,获得的数据较为准确,符合管板当量弹性常数的客观变化规律.因此,用均匀化理论计算管板当量弹性常数具有可行性,同时也为换热器管板的强度设计提供了参考.     

多层砌体填充墙框架结构的非线性有限元分析

采用ABAQUS软件中非线性分析常用实体单元C3D8R模拟混凝土框架和砌体填充墙,杆单元T3D2模拟钢筋,弹簧单元SPRINGA模拟框架和填充墙体的连接,建立了有限元非线性分析模型。对4榀单跨双层和1榀单跨单层砌体填充墙钢筋混凝土框架结构模型进行了非线性有限元分析,同时将计算值与试验值进行了比较,论证了有限元分析的可行性,进一步分析了砌体填充墙对框架结构性能的影响。     

采用等效斜撑模型的砌体结构地震易损性分析

为解决目前砌体结构中弹塑性模型在精确性方面的不足和对地震易损性分析的需要,将等效斜撑模型引入砌体结构有限元模型,根据实体墙、开窗墙和开门洞的侧向刚度特性,提出相应的等效斜撑宽度计算公式.基于等效斜撑模型分别建立上述三类砌体墙的弹塑性有限元模型并进行低周往复加载分析,结合试验结果验证其准确性和实用性.在此基础上建立一典型的三层砌体结构有限元模型,基于增量动力分析方法,分别将最大层间位移角和弹塑性耗能差率作为损伤参数进行地震易损性分析,并对比分析仅考虑横墙砌体结构模型与同时考虑纵横墙结构的易损性曲线的区别.结果表明:传统的层间位移角不能充分体现纵墙的抗震性能,基于能量的损伤参数能够更准确地反映结构损伤演变过程和纵墙性能;宜根据易损性评价需求和计算效率综合建立适宜精度的砌体结构有限元模型.     

ANSYS在砌体结构非线性有限元分析中的应用研究

在采用ANSYS进行砌体结构非线性有限元分析时,目前还缺乏可以借鉴的普遍性研究结论。论文根据程序特点和研究问题的本质,探讨了ANSYS应用于砌体有限元分析时模型建立、材料本构、破坏准则、迭代算法、收敛准则、预应力的模拟等问题,以典型试验结果为基础,通过算例分析探讨了其适用性,并提出了相关建议。     

单跨配筋砌体框支转换梁的有限元分析

针对常用材料和构件几何尺寸进行正交设计,用三维实体单元建立单跨配筋砌体框支转换梁结构的三维实体分析模型,运用ANSYS程序对其进行有限元分析,得到设计控制截面的内力数据并进行了直观分析和方差分析,摸清配筋砌体框支转换梁结构的受力特点和影响内力的主要因素,由回归分析给出内力近似计算公式. 更多还原     

矿山采动区砖砌体房屋三维有限元模型的建立与分析

本文针对矿山采动区砖砌体房屋的特点,建立了考虑地基与上部结构协同工作的三维有限元模型。文中给出了墙体、地基及滑动层等单元的破坏模式及处理方法。数值模拟分析及现场试验表明,三维有限元模型能够反映采动区砖砌体房屋的受力状态,理论分析与实测结果基本一致。     

Ultralight X-type lattice sandwich structure (II): Micromechanics modeling and finite element analysis

The methods of homogenization and finite elements are employed to predict the effective elastic constants and stress-strain responses of a new type of lattice structure, the X-structure proposed by the authors in a companion paper. It is shown that in most cases the predictions by the equivalent homogenization theory agree well with the experimental and 3-dimensional finite element calculated results. The theoretical and numerical study supports the argument that the X-structure is superior to the pyramid lattice structure in terms of mechanical strength. Supported by the National Basic Research Program of China (“973” Project) (Grant No. 2006CB601202), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10632060, 10825210), the National “111” Project of China (Grant No. B06024) and the National High-Tech Research and Development Program of China (“863” Project) (Grant No. 2006AA03Z519)