基于有限单元柔度法和刚度法的几何非线性空间梁柱单元比较研究

分别基于有限单元柔度法和有限单元刚度法二阶分析理论,采用纤维模型梁柱单元编制了钢筋混凝土杆系结构二阶非线性分析程序;分别采用这两种方法对几个典型试验实例进行了计算机模拟分析,通过模拟分析结果的对比,对有限单元柔度法与有限单元刚度法处理几何非线性问题的效果与效率进行了比较研究.结果表明:对于几何非线性问题,尤其是对于处理下降段(非稳定阶段)问题,基于柔度法的梁柱单元无论从计算效率还是计算效果上都明显优于基于刚度法的梁柱单元,有限单元柔度法是目前处理杆系结构材料与几何双重非线性问题最为有效的分析方法.     

基于有限单元柔度法和刚度法的非线性梁柱单元比较研究

分别基于有限单元柔度法和有限单元刚度法理论,采用纤维模型梁柱单元编制了钢筋混凝土杆系结构非弹性分析程序。基于柔度法的梁柱单元模型的特点在于以单元截面力插值函数作为出发点,在不考虑几何非线性的前提下,总能保证单元内部截面力场分布满足平衡条件。通过构造的数值算例及钢筋混凝土双向弯曲柱反复加载试验结果与两种方法模拟分析结果的对比,对柔度法与刚度法的分析效果进行了比较研究,并对纤维模型梁柱单元解决空间杆系结构非弹性分析的有效性进行了验证。结果表明:对于结构处于强非线性阶段,尤其是对于处理下降段(软化)问题,基于柔度法的梁柱单元无论从计算效率还是计算效果上都明显优于基于刚度法的梁柱单元;纤维模型梁柱单元是目前处理空间杆系双向弯曲与变轴力耦合问题最为实用有效的单元分析模型。     

基于模态叠加法和直接刚度法的列车-轨道-桥梁耦合系统高效动力分析混合算法

为提高列车-轨道-桥梁耦合系统（Train-Track-Bridge Coupled System,TTBS）动力分析的计算效率,该文基于作者之前提出的TTBS动力分析混合模型,结合模态叠加法和直接刚度法,提出了一种改进的混合方法（Improved Hybrid Method,IHM）。该方法中,列车动力方程通过多刚体动力学方法建立;轨道结构动力方程通过直接刚度法建立以准确求解其高频局部振动响应,桥梁结构动力方程通过模态叠加法建立以降低其自由度数目。列车和轨道结构通过轮轨线性Hertzian接触关系耦合为列车-轨道耦合时变子系统,轨道与桥梁间通过轨-桥相互作用力的平衡迭代实现耦合。首先以朔黄重载铁路32 m简支梁桥现场试验数据验证了该文方法的正确性。然后,以CRH2型高速动车组通过万宁系杆拱桥为例,探究了桥梁振型数量对动力响应指标计算精度的影响规律,最后,对比三种不同的列车-轨道-桥梁耦合系统动力分析方法的计算结果及耗时,结果表明：同样的计算精度下,该文方法具有更高的计算效率。     

基于边界单元法的印刷机滚筒结构刚度分析

以实际滚筒模型为分析对象,使用边界单元法(BEM)对该结构进行刚度计算和分析。通过数值算例验证了BEM的正确性和有效性,在此基础上,充分考虑实际工况,应用BEM法分析滚筒在重力作用下的自由变形,并与基于FEM的商用结构分析软件得到的结果进行对比。对比结果显示,BEM法在分析滚筒结构刚度时具有精度高、计算量小以及纯边界离散等特点,是一种应用于结构刚度分析的高效方法。     

大转动平面梁有限元分析的共旋坐标法

虽然大转动平面梁单元已有很多,但其中许多太复杂,缺乏计算效率,值得改进。采用共旋坐标法准确的首次导出了平面梁单元发生大转动小应变时的非对称单元切线刚度矩阵,利用这一非对称的单元切线刚度矩阵由Newton-Raphson迭代法编制了一个FORTRAN程序NPFSAP,并获得了大转动梁、方形和圆形框架的高精度数值解,表明了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,非对称单元切线刚度矩阵值得推介。     

基于有限质点法的三维固体弹塑性问题求解

有限质点法是一种新型的数值方法,可有效求解结构或机构的大变位、大变形及其相互耦合等复杂行为,目前已经应用于无穷小机构、可展结构、接触碰撞、结构倒塌破坏、结构屈曲、索杆结构、平面固体、膜结构的找形及褶皱、结构多尺度、结构精细化等方面的研究,均取得了较好的效果。为形成从平面固体到三维固体及弹塑性等问题的完整研究体系,该文基于有限质点法推导了一种适用于三维固体非线性问题分析的四面体固体元,并将其应用于弹塑性问题的求解。通过自编程序,分别计算静力,动力等经典算例,并将该方法的计算结果和有限元法及试验结果进行了对比。结果表明,该方法能够有效地求解三维固体的弹塑性等静动力问题。     

斜交多肋T梁桥空间计算的有限单元法

将斜交多肋T梁桥的桥面板视为斜形板梁,肋板视为普通板梁,并在构造其位移模式时考虑了T梁桥面板剪滞效应和局部弯曲的影响,然后根据斜交多肋T梁截面位移参数的变形协调关系来组拼其单元刚度矩阵,由此提出了斜交多肋T梁桥空间计算的斜形板梁有限单元法.     

基于有限单元法三轴体微加速度传感器固有频率的灵敏度分析

应用大型有限元分析软件ANSYS10.0建立了三轴体微机械电容式加速度传感器的有限元模型,以该模型为基础分析了传感器的前3阶固有频率及其振型。分析表明第一、二阶振型分别影响传感器在X和Y方向上的加速度测量,而第三阶振型则影响传感器在Z方向上的加速度测量,且影响程度较大。分析了传感器挠性轴的宽度、高度、长度和质量块的高度及密度等结构参数对传感器主要性能指标的影响程度,所得分析结果可为传感器的减振设计和进一步的优化设计提供理论依据。     

基于并行有限质点法的界面断裂-接触行为分析

界面断裂、摩擦接触等行为广泛存在于结构破坏、连续倒塌、上下部结构协同等实际工程的精细化分析中.有限质点法对于强非线性行为模拟的适应性以及并行计算能力的优势使其可以以较低的成本完成界面行为的细观模拟.该文提出了适用于有限质点法并行计算体系下的三角形界面单元,用于通用化地模拟界面之间的粘结、断裂、接触等界面作用行为.基于并...     

改进共旋坐标法的Timoshenko梁单元非线性分析

为提高空间Timoshenko梁单元非线性问题的计算精度,在共旋坐标法的基础上,提出了一种改进的Timoshenko梁单元几何非线性分析方法。利用虚功原理得到改进空间梁单元的刚度矩阵;使用有限质点法中的逆向运动思路计算单元局部坐标系下的刚体旋转矩阵;根据整体坐标系与局部坐标系之间旋转角度的转化以及微分关系,求得空间梁单元的切线刚度矩阵;编制了相应的有限元程序,对多个经典的大变形结构进行几何非线性分析。计算结果印证了该文所提出改进方法的正确性,同时与传统共旋坐标法相比,具有更高的精度。     

桥梁颤振概率性评价的随机有限元法

在桥梁的各种风振形式当中,颤振对桥梁的安全威胁最大,而在各种随机因素作用下的桥梁颤振概率性评价也受到了人们的重视。为了计算大跨度桥梁的颤振失效概率,推出了一种结合有限元分析和可靠度计算理论的随机有限元方法,考虑了质量、刚度、阻尼和颤振导数等随机因素对颤振临界风速的影响,并对我国第一座真正意义上的大跨度海上桥梁——东海大桥颗珠山斜拉桥进行了颤振可靠性分析。     

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。     

基于高阶剪切变形理论的复合材料层合板精化单元法

基于高阶剪切变形层合板理论(该理论满足层间位移、应力连续条件)建立了一种精化方法,由此建立了三角形精化板单元.该单元满足单元间C1类弱连续条件,其收敛性得到保证,且具有列式简单、计算效率和精度高的优点.      

基于ABAQUS平台的扩展有限元法

以ABAQUS为平台,提出了一种预设虚节点法,首次在通用有限元程序上嵌入了扩展有限元法的功能。推导了扩展有限元法中的子域积分同Heaviside函数的关系,并改进了一种三角形子域积分算法。对三点弯梁的开裂过程进行了模拟。计算结果表明,扩展有限元法对非连续位移场的表达不依赖于单元边界,是一种模拟裂纹扩展过程等涉及移动非连续问题的有效方法。与通用有限元软件的结合则为应用该方法解决实际复杂问题提供了方便的途径。     

膜结构有限元分析中的平面单元与曲面单元的比较

在对膜结构进行有限元模拟时,通常采用两种面单元形式——平面常应变三角形单元和六结点曲面三角形等参元,究竟哪一种单元形式更优一直是存在争议的问题。首先就这两种单元的有限元格式进行探讨,比较了它们在位移模式、几何方程及刚度矩阵等方面的力学本质差异;然后,通过一些典型算例,比较了它们在计算精度和计算效率等方面的优劣。分析结果表明:在有限元格式方面,曲面三角形等参元较之平面常应变三角形单元更为完备,更加符合结构的实际受力特征;在计算精度和计算效率方面,曲面三角形等参元也要优于平面常应变三角形单元;因此,从结构精细化分析的角度来看,宜采用曲面三角形等参元来进行膜结构有限元分析。     

基于模糊系数规划的模糊有限元方法

目前,对模糊有限元方程的求解思路是:在确定性有限元方程中引入参数的模糊性,然后对应一系列阈值l,将模糊有限元平衡方程转化为一系列确定性区间方程组,再求解这些区间方程组。然而,至今区间方程组的求解问题尚未解决,因而模糊有限元方程组的求解亦未得到有效的解法。将模糊系数规划与弹性力学的行为本质棗即物体的平衡过程为一个二次方程的能量极小化过程相结合,得到了一种新的模糊有限元求解方法,数值仿真实验表明该方法可行。     

分析恒载效应的有限元方法

本文在Takabatake关于恒载对梁静、动力影响的研究工作的基础上,导出了梁考虑恒载效应的动力分析有限元公式,提出了荷载影响刚度矩阵的概念。分析了分布和集中两种恒载型式对简支梁和悬臂梁自振特性的影响。计算结果表明,用本文方法与Takabatake应用Galerkin方法和近似闭合解方法的结果吻合良好。同时由于本文采用了矩阵形式,不仅便于编制计算机程序,且使方法有更广泛的适用性和灵活性,可更方便地用于各种不同的构造和边界条件下的实际结构。     

任意非对称断面薄壁箱梁一维有限元分析

根据薄壁箱梁的实际支承特点,设置支承坐标系并在支承坐标系中建立变形协调的相容条件,针对任意非对称断面薄壁箱梁,导出了考虑拉(压)弯扭翘空间耦合分析的单元刚度矩阵及等效节点力公式。此外,提出了通过设置具有线刚度、转动刚度、扭翘刚度的假想弹簧单元,对薄壁箱梁的复杂约束条件进行处理的一般方法。所得到的刚度矩阵表明,只有当忽略翘曲变形对截面转角的影响时,轴向拉压才只与水平弯曲及竖向弯曲相耦合,而与约束扭转不再耦合。算例结果表明了分析方法的有效性。     

含裂纹损伤圆弧曲梁弹性屈曲的有限元网格自适应分析

该文建立圆弧形曲梁裂纹的截面损伤缺陷比拟方案,实现裂纹大小(深度)、位置、数目的模拟.引入变截面Euler-Bernoulli梁的h型有限元网格自适应分析方法,求解含裂纹损伤圆弧曲梁弹性屈曲问题,得到优化的网格和满足预设误差限的高精度屈曲荷载和屈曲模态解答.数值算例表明该算法中网格非均匀加密可适应裂纹损伤引起的屈曲模态...     

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。