三维杆系结构的几何非线性有限元分析

为了更准确地描述杆系结构的几何非线性性能,建立了一种基于三维梁单元有限元分析的计算方法。引入了考虑两方向曲率和扭转角变化的坐标转换矩阵来描述任意增量下的单元平移和转动;采用了包括轴向变形和扭转的非线性项的刚度矩阵来考虑高阶非线性项的影响。应用广义位移控制法进行增量迭代,编制了相应的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D。通过对几个例子进行的分析,验证了该方法可较好地考虑结构几何非线性。     

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。     

杆系结构可靠性分析的有效方法

本文以桁架为例首次将结构连续变更原理用于结构的可靠性分析，并以分枝限界法为基础编制了电算程序，从而有效地筛选出结构可能失效模式的集合，算例表明结果令人满意。     

杆系结构非线性分析中TL列式和UL列式

对于结构几何非线性分析中常用的ＴＬ列式法和ＵＬ列式法,进行了综合对比、研究,并编制了两种方法的非线性有限元程序,通过实例验证,得出结论：在杆系结构的非线性分析中,采用ＵＬ列式法是有效且安全可靠的。     

空间杆系钢混结构非线性问题的有限元解

本文推导了建立了用于空间杆系结构非线性计算的多结点空间等参杆单元，这一单元利用等参元的概念，结合有限位移的增量理论，引入钢筋混凝土的弹塑性强化材料模型，有效地解决了空间杆系结构的非线性分析计算问题，能更好地处理空间曲杆，在处理单元弹塑性非线性时，采用了以单元内积分法的弹塑性状态，综合描述单元的弹塑性状态的方法，比较计算结果，这一单元计算模型是合理，有效的，能够解决空间杆系结构的非线性计算问题。     

钢筋混凝土结构空间有限元分析的体梁组合单元

本文提出了一种用于钢筋混凝土结构空间有限元分析的体梁组合单元模型。该模型将混凝土体元内的钢筋作为能承受轴力、剪力、弯矩和扭矩的梁元,根据钢筋和混凝土在单元内的位移协调条件和虚功原理将两者组合成一个单元。体梁组合单元模型能较全面地反映混凝土内钢筋的力学效应,能适应钢筋的任意布置方式,容许用较大的单元对结构进行离散,解决了大型钢筋混凝土结构有限元分析的单元划分问题。数值算例及其与解析解的比较演示了模型的可行性和精度。     

杆系结构的拓扑易损性分析

现阶段对结构鲁棒性设计并没有形成统一的理论和方法,而结构易损性分析能够有效揭示结构缺乏鲁棒性的内在原因。首先以双杆体系为例,将节点构形度和荷载作用下的节点位移随双杆夹角的变化规律进行比较,发现节点构形度的大小代表着结构在此节点处抵抗任意方向荷载的能力,证明了构形度为整个结构或子结构构形好坏的评价指标。其次,基于构形度等凝聚准则,通过凝聚过程建立结构拓扑关系层级模型,识别结构存在连接薄弱的部位,并通过对层级模型的拆解及破坏模式评价指标的计算,得到结构具有易损性的破坏模式,其中包括最小破坏模式、最易发生破坏模式、完全破坏模式及最大破坏模式共四种破坏模式。最后,针对上述过程编制C++程序予以实现,并将其应用到平面桁架、平面刚架及空间网壳结构的分析中。算例分析表明,结构构形易损性分析能够有效反应结构存在的薄弱部位,同时能够识别结构损伤与失效后果具有不成比例的破坏模式,为采取合理措施降低结构内在易损性提供理论依据。     

基于退化梁单元的混凝土结构徐变分析

应用退化梁单元分析了混凝土结构的徐变问题.在实际混凝土结构中,混凝土结构的徐变与混凝土开裂等非线性行为存在相互耦合作用.退化梁单元采用了三维结构的几何和物理方程,结合分块积分技术,可以方便地模拟钢筋混凝土结构的各种非线性行为.应用Trost-Bazant方法,建立了退化梁单元混凝土结构徐变分析计算方法.算例分析表明了计算结果的正确及在实际混凝土结构徐变分析中计入非线性行为的必要性.     

混凝土杆系结构滞回全过程分析

本文基于非线性有限元原理,采取由材料本构关系直接形成单元M—N—φ关系的方法,推导了混凝土杆系结构的单元刚度矩阵,该矩阵考虑了材料非线性、几何非线性、轴力二次矩、混凝土的裂面效应、预应力的特点、钢筋的粘结滑移以及材料的双切线模量等的影响;编制了相应的分析程序,并对两榀混凝土门架的滞回性能进行了模拟计算,计算值与试验结果吻合较好。本文程序实现了混凝土杆系结构包括下降段在内的滞回全过程分析,从而为该类结构的抗震研究提供了一个准确、实用的工具。     

基于GPU的杆系离散元并行算法在大型工程结构中的应用

杆系DEM(离散元,discrete element method)是求解结构强非线性问题的有效方法,但随着结构数值计算规模的扩大,杆系DEM所需要的计算时间也随之急剧膨胀.为了提高杆系DEM的计算效率,该研究提出单元级并行、节点级并行的计算方法,基于CPU-GPU异构平台,建构了杆系DEM并行计算框架,编制了相应的几...     

主动杆系结构的稳定性分析

利用开环系统零极点和闭环系统的根轨迹方法,分析主动杆系结构的稳定性问题。通过理论与数值分析,揭示同位配置的主动杆系结构的开环零极点具有相间排列的性质,而其闭环系统的根轨迹,无论控制增益怎么变化,其均在复平面的左半平面,因此同位配置主动杆系结构具有渐近稳定性,并且其稳定性不随结构参数的变化而变化,亦即具有稳定鲁棒性。     

空间杆系结构的弹塑性大位移分析

为适当降低杆系结构弹塑性分析的计算量,该文假设单元塑性变形集中于单元端部。在单元端部截面上,将截面分割为若干小块面积,用小块面积中心处材料的弹塑性性能代替整个小块面积的弹塑性性能。通过对小块面积弹塑性性能的分析,得出端部截面的弹塑性刚度,再将其与单元内部弹性部分的截面刚度沿杆长进行Gauss-Lobatto积分,由此获得梁单元的弹塑性刚度矩阵。该文对小面积中心点采用基于材料应变等向强化的弹塑性本构关系,为准确分析杆端截面小块面积的弹塑性应力状态,该文提出了有效的应力调整算法以修正计算过程中偏离屈服面的应力值。数值算例表明,该文方法准确、高效、可靠。     

任意连接平面杆系结构自振特性分析的统一模型

基于基本假定和振动理论，通过严格的理论推导建立了具有任意连接刚度的半刚性连接平面系结构自振特性分析的统一模型，在该模型中只要选取适当的连接刚度因子即可分析经典桁架结构、平面刚架结构、混合结点及半刚性连接的任意平面杆系结构的自振特性，且给出了刚度矩阵的显式形式。算例与解析解进行了比较，结果相当吻合。     

杆系结构可动性判定准则

基于矩阵的奇异值分解法,提出了杆系结构在考虑荷载作用下的可动性判定方法,包括含机构的杆系结构可动性判定和瞬变结构的判定。通过分析结构的平衡矩阵,计算自应力模态、机构位移模态,归纳出了荷载态下杆系结构可动性判定公式。结果显示若机构位移模态与荷载向量正交,则几何意义上的机构可演变为可以承受外界扰动、相对稳定的结构。另外对瞬变结构给出瞬变判定公式,弥补了体系分类的空缺。最后辅以算例验证,给出结论,系统列出细化后的结构体系分类表。     

平面杆系结构几何非线性数值分析

本文基于Ｔ．Ｌ坐标，导出了梁单元的几何非线性的割线刚度矩阵和切线刚度矩阵显式，算例表明，本文的两个刚度矩阵可有效的分析平面杆系结构的几何非线性问题。     

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。     

三维空间杆系结构动力分析的超级元法

本文研究了超级元法在复杂杆系结构动力分析中的应用。该方法是最近提出的一种新的数值计算方法，它具有有限元法的灵活、通用性强等优点，同时解决了有限元法自由度多，计算机内存需要量大，计算工作量大等缺点，可以大大提高计算效率，并能在微机上实现复杂结构的计算。     

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。     

主动杆系结构的模态性质分析

本文对主动杆系结构进行了模态分析,指出了主动杆系结构有左右模态振型之分,不同阶的左右模态振型关于结构系统加权正交;解释了左右模态振型不同的物理意义：右模态振型是主动结构系统真正意义上的振型;而左模态振型是主动结构系统的转置系统振型,它是外界因素对主动结构系统的影响程度,表征的是外界因素的模态分量。主动结构的模态是检验结构性能的主要指标,也是结构设计的目标函数,所以对主动杆系结构模态的分析研究有着很重要的理论和现实意义。最后,用数值算例进一步说明主动杆系结构的模态性质。     

弹性DEM方法在杆系结构中的应用研究

基于颗粒离散元方法（DEM）,结合杆系结构的特点,提出了一种适于杆系结构问题分析的DEM模型。对颗粒元相应的质量和转动惯量计算公式进行了修正;通过能量等效原理推导了杆系DEM模型分析时弹簧接触刚度系数表达式;将瑞利阻尼引入到DEM方法之中,给出了阻尼常数计算公式并用算例进行了验证。将该方法应用于杆系结构弹性分析,包括静动力与几何非线性大变形问题的空间框架结构和网壳结构等多个算例,计算结果与有限元方法结果吻合良好。DEM方法的特点是将动力分析和几何非线性分析自动包含在运动方程的计算之中,不用组集刚度矩阵,无需迭代求解。杆系DEM模型非常适宜处理杆系结构大变形及动力非线性问题,尤其是在结构进入强非线性之后的模拟分析。