变截面梁预应力计算的积分算子法

将积分算子法用于变截面梁预应力问题的计算,提出了一种新型计算方法。该方法将多段变截面梁作为一个计算单元处理,直接计算多段预应力索等效节点力和单元内力,包含了变截面梁刚度分布对等效节点荷载的影响,包含了变截面剪切变形影响。该方法克服此前方法的缺陷,为变截面梁预应力的计算提供了一种精确计算方法。     

具有分布材料特性的梁反应分析方法

同一梁单元内材料具有不同性质时,传统梁单元的单元位移插值函数不能合理地描述梁内部的位移变化,导致计算精度较低。给出了一种计算同一单元内具有分布材料特性的梁反应的有限元方法,有效解决了传统梁单元的局限性。同时,给出了同一单元内具有分布材料特性的梁单元的一致等效节点荷载和一致质量矩阵的建立方法。与传统梁单元相比,使用该方法进行静力分析和特征值分析均可获得较高的计算精度,并且使用一个单元即可给出精确的单元内力和位移分布。此研究为分析同一单元内具有分布材料特性的梁的静力与动力反应问题提供了简单的方法和有价值的理论基础。     

基于静力凝聚的高精度变截面梁单元及其几何非线性分析研究

基于Euler-Bernoulli梁单元基本假定,通过静力凝聚获得截面特性沿单元轴向连续变化的变截面梁单元高精度刚度矩阵,并提出一种基于随动坐标法求解变截面梁杆结构大位移、大转动、小应变问题的新思路。首先依据插值理论和非线性有限元理论推导出三节点变截面梁单元的切线刚度矩阵,然后使用静力凝聚方法消除中间节点自由度,从而得到一种新型非线性两节点变截面梁单元。结合随动坐标法,在变形后位形上建立随动坐标系,得到变截面梁单元的大位移全量平衡方程。实例计算表明,该新型变截面梁单元具有较高的计算精度,可应用于变截面梁杆系统大位移几何非线性分析。     

梁杆结构二阶效应分析的一种新型梁单元

推导了一种计及梁杆二阶效应的新型两结点梁单元。首先依据插值理论构造了三结点Euler-Bernoulli梁单元的位移场:使用五次Hermite插值函数建立梁单元的侧向位移场,二次Lagrange插值函数建立梁单元的轴向位移场,进而由非线性有限元理论推导了单元的线性刚度矩阵和几何刚度矩阵,然后使用静力凝聚方法消除三结点梁单元中间结点的自由度,从而得到一种考虑轴力效应的新型两结点梁单元。实例分析表明,此新型梁单元具有很高的计算精度,使用此单元进行梁杆结构分析可获得相当准确的二阶位移和内力。     

混杂CFRP/GFRP筋HPC梁的非线性梁壳组合单元研究

对于混杂CFRP/GFRP筋高性能混凝土（HPC）梁, 研究一种新的三维非线性梁壳组合单元, 对HPC梁进行了全过程分析。引入实体退化壳单元理论, 利用空间梁单元模拟预应力CFRP筋, 并根据CFRP筋单元节点线位移和转角位移的协调性, 推导CFRP筋单元对梁壳组合单元刚度矩阵的贡献, 同时对GFRP筋和HPC梁采用分层壳单元模拟。并运用Jiang屈服准则、 Madrid强化准则等描述混凝土的材料非线性, 提出一种新的非线性梁壳组合单元, 研制相应的三维非线性计算程序。计算结果与试验数据吻合良好, 说明本文构造的非线性梁壳组合单元的正确性和研制程序的可靠性, 以及混凝土材料非线性描述的合理性; 采用组合单元能准确模拟CFRP筋的几何构形, 能综合考虑其拉压弯剪性能, 利于全面地反映配筋对结构的增强作用。      

车身结构分析中的三节点七自由度梁单元

为了高精度计算公共客车骨架结构的应力以及外膜皮对套车结构的影响,本文提出了一种新的空问梁单元。这种单元共有三个节点点,每个节点除常用的六个自由度外,还增加了一个翘曲扭转位移自由度以考虑梁截面的翘曲效应。该梁单元与八节点空间膛单元配合,可以提高梁、膛、板组合结构的计算精度。本文还给了一个实际的算例,部分计算值和实测值的比较证明该梁单元的工作性能是很好的。     

杆系结构分析中的直梁单元和曲梁单元

本文编制了杆系结构直梁单元的几何线性有限元程序。通过２个经典实例，对不同的直梁单元和曲梁单元进行了对比。结果表明：直梁单元与曲染单元的计算结果没有显示的不同。因而，在杆系结构的非线性分析中，可以采用直梁单元模拟曲梁，进行屈曲分析。     

计及二阶效应的一种变截面梁精确单元刚度阵

推导一种精确的Bernoulli-Euler变截面梁单元,解决了传统变截面梁单元在结构稳定性分析中存在的计算精度较低的问题,以常见的外形沿轴向按线性变化的变截面梁为例,给出梁单元的精确刚度阵。放弃传统有限元通过插值理论构建变形场,并通过虚位移原理获取单元刚度阵的方法,直接从计入二阶效应的单元平衡微分方程中得到变截面梁的载荷位移关系,进而得到有限元格式的变截面梁精确刚度阵。借助于变截面梁单元刚度阵,可导致与精确的微分方程解析法同样的计算精度。通过与几个经典算例和ANSYS计算结果比较表明:该精确刚度阵可直接应用于结构稳定性分析,获得变截面梁结构精确的欧拉临界力。     

基于退化理论的空间梁单元有限元分析

从双线性退化板壳单元出发,演绎推导出了一种可以应用于空间有限元分析的退化梁单元。退化梁单元采用基本的平截面假设,并用轴线节点位移来表示梁单元的三维位移场。在进行单元有限元列式时,仍然沿用三维结构的几何方程和物理方程。在退化梁单元的理论基础上编制了有限元计算程序,通过对几个算例的分析,证明了这种基于退化理论的空间梁单元的精确、高效和通用,这种单元也可以广泛应用于大型结构空间双重非线性有限元分析。     

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。     

变截面压杆稳定计算的有限单元法

本文在文「１」建立的三维退化梁单元的基础上，考虑几何非线性，推导出计算任竭尽为截面压杆稳定问题的有限元无式。计算结果表明，本文公式正确，力学概念清晰明了，计算效率较高，该单元三维梁、板、块单元的连接非常方便，很适合于工程结构的总体分析。     

一种考虑截面完整变形特征的空间三维梁有限元模型

提出了一种基于截面插值的三维空间梁模型。首先引入截面插值函数——拉格朗日函数描述截面形状,以位移向量为未知变量描述截面位移,在此基础上依据插值理论构造梁单元位移场,不同于传统梁单元通过假定的中性轴挠度和转角来确定梁截面各点位移,该梁模型摒弃了中性轴假设与平截面假设,通过截面插值函数得到梁截面面内、面外变形;然后通过有限元理论推导了梁单元刚度矩阵与质量矩阵,并采用MATLAB编制了相应的有限元程序;最后通过几个典型算例展开分析,并将该单元的计算结果与经典梁理论和商用有限元软件数值计算结果进行对比,算例结果表明该单元有着更好的适用性和更高的精度。     

基于高性能桩单元法的海上风机单桩支撑结构水平承载力研究

海上风力发电机单桩支撑结构由单桩、过渡段和锥形塔筒组成。海洋土体变异性大和风机塔筒变截面的特点大幅增大了使用离散弹簧法进行支撑结构计算的梁单元划分量。为实现对风机支撑结构的高效模拟，该文提出了一种改进的欧拉-伯努利梁单元，该单元实现了桩土相互作用关系的内置和对单元变截面的考虑，相较于传统梁单元大幅度减少了单元划分量。该文在单层与多层土体中验证了上述单元的精确性与高效性，并研究了新型单元在风机单桩支撑结构计算中的适用性。在此基础上，进行了风机单桩水平承载性能参数分析，研究了桩长与桩径对大直径桩水平变形规律和承载力的联合影响，研究给出了不同于现有规范的刚性短桩-中长桩划分的相对刚度特征值临界范围。     

一种求解梁动力响应的新方法

基于动刚度方法与常规有限元方法提出了一种计算梁动力响应的新方法。单元插值形函数是由梁的自由振动方程导出的，称为精确形函数。应用哈密顿原理推出振动控制方程。利用傅立叶展开定理求解梁的动力响应。数值模拟结果与常规有限元方法进行了比较，结果表明了新方法的有效性。     

附加约束阻尼层的复合材料梁单元建模分析

复合材料空心圆截面梁是桁架和刚架结构中大量采用的常用构件，而实践证明约束阻尼层能有效改善复合材料空心圆截面梁的动力学特性，但传统的约束阻尼层结构有限元计算方法需要大量的单元，这给大型复杂结构的计算带来了巨大的困难。本文采用Timoshenko梁假定。建立了一类附加约束阻尼层复合材料空心圆截面梁弯曲的数学模型。应用Hamilton原理。采用三节点高次梁单元对构件进行离散化。建立了附加约束阻尼层复合材料空心圆截面梁的梁单元。同传统的锥壳单元相比，该方法极大地减少了计算时间。用实验验证了本文计算结果的正确性。同时也分析了约束层厚度对损耗因子的影响。     

考虑主材节点刚域影响的钢管输电塔变截面梁单元有限元模型

为了准确、快捷地计算加劲板和连接板形成的主材节点刚域对输电塔受力的影响,将考虑节点刚域影响的主材视为若干段段不同截面梁单元的组合。首先,推导了主材两端节点刚域横截面转动惯量和面积的公式;然后,根据能量原理,推导了变截面梁单元的单元刚度矩阵,并采用C++语言将它引入开源有限元软件OpenSees;最后,将主材及节点刚域采用变截面梁单元,常截面梁单元,变弹性模量梁单元及壳单元离散的有限元模型计算结果和塔架试验的实测结果进行对比。结果表明:常截面梁单元会低估主材的弯矩和最大正应力,而变弹性模量梁单元会低估输电塔的挠度,均会使设计偏于不安全;变截面梁单元和壳单元的计算结果均实测结果很接近,但前者计算量远小于后者。可见:变截面梁单元有限元模型兼顾了计算效率和精度。     

钢塔架在风荷载作用下的受力与变形

本文利用有限元计算程序，对高层建筑上安装的钢塔架在风荷载作用下的受力及变形进行了有限元计算，计算模型中采用了杆单元，梁单元以及边界凶等三种单元形式，通过对计算结果分析，找出该结构存在的设计隐患，为此，对原结构形式进行了改进，收到了良好的较果。     

两种新型的弹性地基梁单元及其在超高层建筑结构简化分析中的应用

将超高层建筑空间巨型框架的巨型柱和梁分别简化成剪切型弹性地基梁和广义Winkler弹性地基梁单元,导出其单元刚度矩阵后,再按空间刚架分析计算,得到一种简化分析方法。简化巨型框架柱时,考虑与其相连的二级框架梁、柱的弯曲刚度,并将其作为巨型柱的剪切型弹性地基,构造出剪切型巨型弹性地基梁单元;简化巨型框架梁时,只考虑与其相连的二级框架柱的轴向刚度,并将其作为巨型梁的Winkler弹性地基,构造出广义Winkler巨型弹性地基梁单元。算例表明:简化计算的模型不仅是合理的、有效的,而且其计算结果的精度几乎与精确解有同级的精度。     

一类考虑温度效应的截面插值梁模型

提出了一种截面插值梁模型,利用该模型求解梁在非均匀热载荷作用下的动静态响应,解决了传统梁理论无法处理受不均匀温度场的梁的问题。利用拉格朗日插值函数对梁单元的截面和轴向分别插值,构造梁的位移场。将位移场代入热弹性动力学方程,得到单元应变和应力,再依据虚功原理推导出单元刚度矩阵、质量矩阵以及等效节点载荷列阵,求解得到热应力。利用热应力的横向剪切力更新单元刚度矩阵,计算梁在热载荷作用下的振动特性。计算结果表明,该方法得到的结果与实体单元模型结果吻合,并且更易于处理受非均匀热载荷作用的细长结构,同时能很好地反映截面的形状、受载及响应结果。     

半刚性组合结构的极限分析

本文提出了一种钢－混凝土组合的梁－柱单元，并将梁柱半刚性节点和简化成转动弹簧，从而可对半刚性组合结构进行精确分析，计算步骤简单，适合于工程设计中作国有限元分析的模型。