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。     

弹塑性纤维梁柱单元及其单元参数分析

基于柔度法且沿单元长度积分的弹塑性纤维梁柱单元是可以模拟复杂的截面双向滞回曲线和截面刚度沿杆长方向连续变化的单元模型.由于其计算工作量太大,这种复杂的单元自提出以来,一直没有得到推广应用.对弹塑性纤维梁柱单元模型进行了研究,在此基础上对其单元参数进行了分析,通过研究单元积分段以及截面上纤维的合理划分,使计算工作量适当减少而又不影响计算结果准确性,为纤维单元在大型结构中应用打下基础.     

剪力墙非线性宏观单元的研究与单元开发

罕遇地震作用下剪力墙构件易进入塑性阶段而发生弹塑性损伤,准确地模拟剪力墙构件进入非线性状态后的力学行为对评价剪力墙结构的抗震安全性及基于性能的抗震设计具有重要的意义.通过面向对象语言编制了基于宏观单元的结构弹塑性分析软件平台MESAP及多竖向弹簧剪力墙单元(MVLEM),采用材料本构及Fischinger学者提出的轴向...     

基于柔度的网格截面非线性梁单元

梁单元材料非线性有限元求解时,材料进入非线性阶段后,难以通过梁理论准确描述截面的应力状态,该文据此提出了基于柔度法和分布式塑性理论的梁单元材料非线性方法-网格截面法,这种方法采用平面等参单元将梁单元网格化,由单元轴向积分点位置截面网格积分点的应力描述单元截面应力分布,并通过对截面网格材料的积分得到积分点位置的截面刚度,并运用基于柔度的有限元方法,通过力插值函数和能量原理得到梁单元的柔度矩阵,进而对柔度矩阵求逆以计算单元刚度矩阵。同时讨论了该方法在进行结构材料非线性有限元分析时的优越性。最后通过算例验证了上述结论。     

力法非线性梁柱单元的合理单元长度划分

针对目前结构非线性分析中最常用的力法非线性梁柱单元模型,从理论上分析出了能消除其计算失真问题的合理单元长度及对应积分点数量。然后基于OpenSees有限元程序,使用该理论分析结果建立了一组单墩循环推倒试验的数值分析模型,通过加载点力-位移滞回曲线的对比分析和墩底截面曲率滞回曲线的对比分析验证了理论结果的正确性。结果表明：使用力法非线性梁柱单元模型进行结构的非线性数值分析时,其单元长度划分应根据积分点数量确定,确定原则应基于使单元屈服后变形增长的分布长度与塑性铰长度相等进行计算;在实际使用中,可利用等效塑性铰长度计算积分点数量与单元长度的关系,初步确定单元划分的合理长度;在保证单元长度与积分点数量的对应关系前提下,力法非线性单元的积分点数量越多,计算结果越稳定。     

组合结构梁柱COMP单元非线性分析

本文提出基于纤维单元的组合梁柱单元,采用1单元/构件的单元划分方式,可以方便地考虑构件在加载过程中的中和轴移动和大轴力作用下的P-δ效应,能反映构件沿长度方向的分布塑性及混凝土的开裂等非线性因素。采用高斯积分,利用最小残余位移法进行迭代计算。从文中给出的两个算例结果看,该单元具有足够的精度,可方便地应用于大型结构的非线性分析,适应了结构现代分析的需求。     

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。     

柔度法考虑钢筋混凝土梁柱单元变形局部化的计算方法

基于性能的设计需要考虑结构及构件在地震荷载作用下的非线性反应,基于柔度法的分布塑性梁柱单元模型可以用较少的单元得到较为准确的结果,也可以很方便地处理因混凝土应变软化带来的变形局部化问题。但这种计算模型在处理局部变形时,若直接根据数值积分求解,计算结果与实际结果偏差较大,而且会出现随着积分点的增加,偏差越大的反常现象。该文分析了产生这一现象的数学力学原因,通过在单元的截面层次上将变形分离为弹性变形和塑性变形,对单元的塑性变形指定塑性区长度,得到了合理的解答。     

基于宏观单元的结构非线性分析方法、算例及工程应用

罕遇地震作用下结构和构件进入塑性阶段而会发生弹塑性损伤,正确的模拟结构进入非线性状态后的力学行为对评价结构的抗震安全性具有重要的意义。该文采用纤维单元及多弹簧单元等宏观单元对CFRP混凝土构件、预应力混凝土梁及剪力墙进行构件弹塑性分析,并与试验结果进行对比,表明宏观单元对混凝土构件弹塑性模拟的适用性。该文对采用纤维单元对足尺钢框架振动台试验进行数值分析,表明经过构件层次的力学行为校对后的纤维单元模型能准确预测结构在大震作用下的响应及倒塌前的破坏行为。通过大量算例结果和试验结果对比,说明基于宏观单元的非线性分析方法可以准确模拟整体结构与构件的非线性行为。最后通过两个工程实例说明了宏观单元可以应用于复杂工程整体结构非线性分析中,具有实际工程应用意义。     

混凝土结构抗震非线性分析模型、方法及算例

结构在大震作用下会进入非线性并产生损伤,准确预测地震荷载下钢筋混凝土结构的非线性行为,对评估混凝土结构的抗震安全性具有重要意义。清华大学土木工程系近年来开发的适用于钢筋混凝土杆系结构的纤维模型THUFIBER程序,适用于预应力混凝土杆系结构的纤维模型NAT-PPC程序,以及适用于剪力墙结构的分层壳墙元模型的非线性分析程序。这些程序可以直接将构件的非线性节点力(轴力、剪力和弯矩)、节点变形(平动和转动)和材料的非线性应力-应变行为联系起来,可以模拟各种复杂受力构件的滞回行为和轴力-双向弯曲-剪切耦合行为,借助通用有限元程序方便的前后处理功能和非线性计算功能,该程序可以准确模拟地震作用下结构的三维非线性地震响应,也可模拟爆炸、倒塌等极端非线性行为,通过一系列的数值分析与试验结果的对比和工程应用算例,说明所研发程序的精度和计算能力。     

Topology optimization of material‐nonlinear continuum structures by the element connectivity parameterization

The application of the element density‐based topology optimization method to nonlinear continuum structures is limited to relatively simple problems such as bilinear elastoplastic material problems. Furthermore, it is very difficult to use analytic sensitivity when a commercial nonlinear finite element code is used. As an alternative to the element density formulation, the element connectivity parameterization (ECP) formulation is developed for the topology optimization of isotropic‐hardening elastoplastic or hyperelastic continua by using commercial software. ECP varies the stiffness of zero‐length linear elastic links that connect design domain‐discretizing finite elements. Unloading was not considered. But the advantages of ECP in material‐nonlinear problems were demonstrated: considerably simple analytic sensitivity calculation using a commercial code and simple link stiffness penalization regardless of nonlinear material behaviour. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于共旋坐标和力插值纤维单元的RC框架结构连续倒塌构造方法

悬链机制会使钢筋混凝土框架结构产生有助于抵抗连续倒塌的附加承载能力,对结构抗连续倒塌能力至关重要。悬链机制处于几何大变形和材料非线性下降段的状态下,需要同时考虑材料非线性和几何非线性,因此对数值分析模型提出了更高的要求。为了解决基于力插值的纤维单元同时处理材料非线性和几何非线性的问题,该文采用基于共旋坐标法,提出了一种基于共旋坐标法的力插值纤维单元。该单元在形成中把变形体和刚体分开,局部坐标系的变形体内采用纤维划分考虑材料非线性,然后加上刚体位移,从局部坐标系到整体坐标系的转换中采用共旋坐标法以考虑几何非线性,给出了二维单元形成原理及非线性求解过程。实例分析结果表明基于共旋坐标法的力插值纤维单元能够较准确的模拟RC框架结构连续倒塌,梁机制阶段主要是材料非线性起控制作用,悬链线机制阶段主要是几何非线性起控制作用。     

A novel scaled boundary finite element formulation with stabilization and its application to image‐based elastoplastic analysis

Digital images are increasingly being used as input data for computational analyses. This study presents an efficient numerical technique to perform image‐based elastoplastic analysis of materials and structures. The quadtree decomposition algorithm is employed for image‐based mesh generation, which is fully automatic and highly efficient. The quadtree cells are modeled by scaled boundary polytope elements, which eliminate the issue of hanging nodes faced by standard finite elements. A novel, simple, and efficient scaled boundary elastoplastic formulation with stablisation is developed. In this formulation, the return‐mapping calculation is only required to be performed at a single point in a polytope element, which facilitates the computational efficiency of the elastoplastic analysis and simplicity of implementation. Numerical examples are presented to demonstrate the efficiency and accuracy of the proposed technique for performing the elastoplastic analysis of high‐resolution images.     

弹塑性杆非线性断裂问题的新型增强有限元法

针对一维弹塑性材料杆件的非线性断裂,该文提出了一种新型弹塑性增强有限元。该单元采用von Mises屈服准则和线性等向硬化模型描述开裂前的材料弹塑性变形,而结合利用内聚力关系来描述随后的裂纹萌生和非线性断裂过程。引入内部节点来描述单元内由于裂纹引起的位移不连续,通过单元凝聚获得含裂纹单元的刚度矩阵,并对数值稳定性问题进行了分析。通过与基于材料力学方法推导得到的解析解的对比验证了该新型弹塑性增强有限单元法在列式上的正确性和在数值上的高效性与精确性。     

一种带边柱的钢筋混凝土剪力墙空间非线性分析模型

基于纤维模型概念,提出了一种便于钢筋混凝土高层框架-剪力墙结构空间非线性分析的带边柱剪力墙单元模型。将墙体和边柱视作一个整体单元,导出了相应刚度矩阵。用细分的纤维元模拟混凝土和钢筋的线性和非线性特性,墙元用平面纤维元模拟,柱元用空间纤维元模拟,在考虑墙、柱构件各自受力特点的同时,保证了模型的整体协调性。编制了可应用于钢筋混凝土高层框架-剪力墙结构空间分析的计算机程序。两个算例证明了该文模型的正确性和有效性。     

Coupled BEM/FEM approach for nonlinear soil/structure interaction

A general coupled boundary element/finite element formulation is presented for the investigation of dynamic soil/structure interaction including nonlinearities. It is applied to investigate the transient inelastic response of structures coupled with a halfspace. The structure itself and the surrounding soil in the near field are modeled with finite elements. In this part of the model inhomogeneities and an elastoplastic material behavior with hardening effects can be taken into account. The remaining soil region, i.e. the elastic halfspace, is discretized with the boundary elements. Thus wave radiation to infinity is included in the model. In representative examples it is shown that the methodology is computationally powerful and can be used efficiently for the nonlinear analyses of complex soil/structure interaction problems.