封面图片说明

正封面图片来自本期论文"零弯矩型自由曲面结构找形方法",是哈尔滨工业大学土木工程学院空间结构研究团队提出的一种自由曲面结构数值找形方法原理图.该方法借鉴传统逆吊模型试验思想,利用柔性膜结构平衡构型的零弯矩性质,确定相应的自由曲面薄壳形状.依据形成膜结构平衡构型的驱动力不同,所得到的自由曲面可进一步分为逆吊型、充气型和张拉型3种.如图所示,上部为逆吊模型试验找     

控制网格变形的动力松弛法膜结构找形分析

采用动力松弛法对膜结构找形分析时,为了防止节点的聚集以获得更精确的膜曲面,提出了一种新的控制网格变形的找形技术.膜单元采用平面三角形单元描述,在单元每两节点间引入了与单元边长变化速率成正比的阻尼项,通过阻尼项产生的节点力来控制网格在找形过程中的变形.对悬链面找形时发现,当黏性系数不大于0.7时,动力松弛法收敛,网格节点分布较无阻尼时均匀.对Scherk-1ike曲面找形时发现,能够控制网格变形且满足收敛性的黏性系数的上限为1.5.此方法能够有效地解决膜结构找形分析中网格的大变形问题,保证了单元密度,特别是克服了曲率较小处网格过于稀疏的缺陷.     

敞篷式体育场膜结构找形分析

采用基于非线性有限元理论的形态结合法对敞篷式膜结构进行了找形分析。首先介绍了相关理论和相应有限元计算公式,通过提升支座,得到膜面的初始曲面,即“形”;然后在此形状基础上,通过温度作用对膜施加真实的预应力,迭代计算得到了真实的膜面预应力分布,即“态”,实现了“形”与“态”的结合,得到了最终膜结构的形状;最后对郑州大学新校区综合体育场膜结构工程进行了找形分析。结果表明,该方法能够快捷、精确地得到敞篷式膜结构的曲面形状,对更加合理地设计膜结构具有重要意义。     

索膜结构的动力松弛找形法参数简化

针对膜结构找形中最小曲面的确定问题,采用动力松弛法,对迭代参数进行分析和简化,使迭代参数的简化只跟时间步长有关.通过算例分析表明,参数简化正确实用,精度较高,适用于大跨度张拉索网、索膜结构的几何非线性分析.     

充气薄膜结构的悬垂和充气展开过程

为了模拟充气薄膜结构的初始状态和充气运动过程,采用索网代替薄膜曲面.基于广义逆矩阵理论将位移增量中的弹性位移和刚体位移分开,分析薄膜的刚体运动,给出结构稳定的条件方程,分析薄膜的悬垂力学性能.利用空气分子数法得到气体体积的约束方程,求解充气展开分析的基本方程,得到结构的展开过程.将该方法用于分析六边形充气气枕,得到气枕在重力作用下的悬垂状态和充气展开过程的各个状态,稳定性判别参数不断趋向于零.分析结果验证了该方法可以用于分析柔性结构充气展开的整个过程.     

张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构找形分析

张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构集膜结构、飞杆与张弦立体桁架等多种受力特性于一身.给出了带飞杆的膜结构找形分析时在ANSYS上的实现过程和关键处理,并以青海省西宁市亲水中心大厅屋盖为案例进行了找形.结果表明,找形形状接近建筑初步设计造型的要求,且膜上的应力分布比较均匀.通过提升后与最终找形飞杆顶端节点的竖向坐标值对比,证实了带飞杆的膜结构找形时必须和弹性构件一起联合找形.张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构找形分析时可不考虑结构自重,但需要考虑张弦立体桁架支撑的协同作用.     

充气式索膜结构的找形分析

充气膜结构本身需要通过压差作用才能形成完整的结构,从而具备一定的刚度来支撑自重和外载荷.为加强结构的承载能力,通常会增设强度更大的索结构进行调整. 对于充气式索膜结构,找形分析在形状设计和优化中具有十分重要的作用,而压差对结构的形态分布有显著的影响,是找形分析中的重要因素. 针对充气式索膜结构受压差作用的特点,基于非线性有限元找形方法,提出压差预置法的概念,并且与节点平衡法相结合来实现优化.在此基础上,针对飞艇索膜结构的具体设计要求,提出了多目标优化的找形分析方案,先结合使用压差预置法和节点平衡法,寻找出满足索和膜结构的应力比值的几何外形;然后,通过等比例缩放的方法调整大小,最终得出满足设计体积大小的几何形状. 结果表明,采用该方法找形后的索的应力为找形前的2倍,更加充分的发挥了增强索的承载作用,同时,膜的最大应力有所降低,应力分布更加均匀,整体结构的承载能力得到了加强,对于解决实际工程问题具有重要的参考意义.     

气枕式充气膜结构形态与受力分析

为解决气枕式充气膜结构在荷载作用下的变形问题,采用非线性有限元方法对气枕式充气膜结构进行形态分析的基本方法.气枕式充气膜结构的形态分析分为两个阶段:即找形分析与找态分析,由此可得到满足相应要求的几何模型与应力状态.假设密封气枕内质量一定的气体满足理想气体状态方程,在荷载作用下,内压随着体积的变化而变化.给出在一定压力作用下半球状气枕的验证算例并与材料力学中给出的理论解进行比较;基于该方法,另对气枕式充气膜结构在不同外荷载作用下的受力状态进行分析并给出相应的算例,计算结果表明采用理想气体状态方程可以模拟在外部荷载作用下气枕的变形、应力状态以及内压变化情况,且是合理有效的并具有较高的准确性.     

车辐式结构找形分析的逐点去约束法

车辐式结构是一种双层索系的柔性结构,需要通过找形分析确定结构的初始预应力态.与索膜、索网结构等柔性结构不同,车辐式结构的找形分析不是用给定的预应力值寻找结构位形,而是从给定的位形出发求解可能存在的预应力分布情况.目前已有的找形方法有平衡矩阵理论、力密度法、动力松弛法、非线性有限元法等.除了非线性有限元法外,其他方法都难以直接通过通用有限元软件进行找形分析.本文在平衡矩阵理论的基础上,将车辐式结构整体找形问题转化为针对每个节点处3个索杆单元的计算.通过使每个节点在预应力作用下达到设计位形,求出结构初始应力态的预应力分布.这种方法不但能够直接用于有限元软件的计算,还能够判定结构的初始应力态是否存在.     

充气膜结构有限元找形的体积微分法

为确定充气膜结构找形分析时,在内压已知情况下膜面张力的大小,根据多元函数泰勒展开公式推导了该类结构充气膨胀的体积微分方程,并由基于U.L.格式的非线性有限单元法,建立了以节点位移和膜面初始张力为未知量的平衡方程,编制了在给定内部气压及膨胀体积情况下的找形分析程序。对球面及圆柱面充气膜结构进行了找形计算,得到的数值结果与由球面及圆柱面的矢高、内压、初始张力相互关系得到的理论解进行比较并得到了验证。计算结果表明,提出的基于有限元的体积微分法可有效的用于充气膜结构的找形分析。     

基于多岛遗传算法的自由曲面层合壳铺层优化

采用多岛遗传算法,以自振频率最大为优化目标,对自由曲面层合壳的铺层顺序进行优化研究。其中,自由曲面层合壳的几何形状通过非均匀有理B样条(NURBS)进行建模,结构有限元模型的创建和自振频率的计算通过ANSYS完成,多岛遗传算法通过软件Isight实现,并与ANSYS连接实现铺层顺序优化。最后,通过算例分别对正高斯、负高斯、正负高斯曲率自由曲面层合壳进行优化分析,获得了最优的铺层顺序。算例结果表明,提出的优化自由曲面层合壳铺层顺序方法是准确、有效的。     

直杆叠积螺旋空间结构的找形分析方法

为了提高原竹结构承载力与安装便利性,提出仅需通过绑扎连接且空间形态丰富的直杆叠积螺旋空间结构.新型结构的杆件数量和每根杆件叠积点的竖向坐标取决于各杆件的几何尺寸与下部杆件的空间位置,据此提出几何建模编程方法：用空间解析几何方法建立方程组,用迭代法求解超越方程,用多项式回归法拟合各杆件坐标;并提出简捷有效的逆向安装方法,以避免竹子直径和安装误差对结构形状的不利影响.工程实践证明了新型结构的找形分析方法的正确性和逆向安装方法的可行性.受力分析算例结果表明,开口形新型结构斜向杆的最大应力受弯矩控制,环向杆上的轴力显著大于斜向杆.     

非对称弯曲双边裂纹管道的应力强度因子

管道兼有壳体和梁构件的特征 ,可以利用三维守恒律及梁的弯曲理论计算它的应力强度因子。利用裂纹张开能量释放率 ,即G 积分的概念 ,通过特定的积分路径 ,给出了两种对称弯曲下双边裂纹管道的应力强度因子表达式。对于非对称弯曲情况 ,将裂纹截面处的弯矩进行分解 ,进而根据叠加原理 ,给出了非对称弯曲双边裂纹管道的应力强度因子表达式。在此基础上 ,导出了与最大应力强度因子所在裂纹相邻裂尖是否产生应力集中的一个判别式 ,并给出了相应的说明曲线。利用它可以方便地判断非对称弯曲下该裂尖是否有可能引起破坏 ,在工程应用上具有参考意义。     

采用有限质点法的薄壳动力非线性行为分析

基于有限质点法原理和K-L经典薄壳理论,构造具有大位移大转动分析能力的薄壳离散质点模型,推导表述基本控制方程与公式. 对于质点位移以及壳元的变形和内力,均按照面内拉压和面外弯扭两部分进行拆分与叠加,并通过物理方式的虚拟运动依次分离出与薄膜刚度和弯曲刚度相关的纯变形,进而在局部变形坐标系下求解面外变形相对应的质点内力和内力矩,建立质点切平面外转角的变步长显式时间积分式,并对质点质量、时间步长、阻尼等关键参数取值给出建议. 在此基础上引入材料非线性应力修正算法,实现对薄壳弹塑性大应变动力非线性行为的模拟,并通过典型算例验证方法及程序的有效性和正确性.     

基于混合算法的自由曲面网格结构多目标优化

为有效提高自由曲面网格结构的性能,改进了自由曲面网格结构的多目标优化方法,基于NURBS技术生成自由曲面,以曲面控制点高度为优化变量,结构应变能为静力性能优化目标,提出了以综合考虑曲面相似性、流畅性以及网格规整性的几何综合量化指标为几何优化目标;将目标函数的敏感度与进化算法NSGA-II结合,提出了敏感度混合进化算法。进行了自由曲面索撑网壳与自由曲面空间网格结构的多目标优化。研究结果表明：与其他3种算法相比,敏感度混合进化算法不仅可获得精确性、均匀性更好的Pareto解集,而且明显提高了算法的优化效率;两个结构优化后的应变能分别下降了21.2%、60.9%,几何综合量化指标分别下降了15.4%、30.9%;优化后结构自身的力学性能有所提高,以综合量化指标为目标函数有效提高了自由曲面的相似性、网格流畅性以及网格规整性。     

扁壳弯曲分析的混合样条元法

提出一种扁壳弯曲分析的混合样条元法，应用三次B样条函数构造出弯矩、扭矩、薄膜力和横向位移场函数。根据混合变分原理，推导出扁壳弯曲问题的二类变量混合样条元方程。该方法对求解壳体弯曲问题非常有效，数值结果已在计算机中得以实现。     

轴向脉冲载荷冲击下弹性圆柱壳动态屈曲中的竹节现象

本文针对弹性圆柱壳在轴向脉冲载荷冲击下动态局部屈曲问题,提出一种新的方法,即哈密顿体系方法.通过构造哈密顿体系,在辛空间中将临界载荷和动态屈曲模态归结为辛本征值和本征解问题.发现圆柱壳屈曲的临界载荷被分为两类,其分别对应圆柱壳压缩屈曲和弯曲屈曲.辛本征解反映了局部的压缩屈曲模态和横向的弯曲屈曲模态.在物理上表现出壳体的压缩型竹节屈曲现象和弯曲型竹节屈曲现象.同时数值结果揭示了临界载荷和屈曲模态的规律及影响因素.     

单层网壳结构的风振响应与抗风设计

利用随机模拟风振分析方法对Kiewitt6—6型单层球面网壳和三向网格单层柱面网壳的风振性能进行了系统的参数分析，包括几何参数、气动参数、结构参数等，得出可供单层网壳结构抗风设计参考的风振系数。结果表明，单层网壳结构的风振系数分布较为均匀，大致为3．0。     

索塔式风力发电机塔架优化设计

提出一种索塔式新型风力发电塔架,确定了纤绳锚固点高度、初张力及纤绳与地面夹角等参数;以实际工程为背景,根据ANSYS一阶优化方法,编制了索塔式风电塔架和单管塔的APDL优化程序,对两种塔架分别进行截面优化和结构优化.对比结果表明,索塔式塔架具有比单管塔基础工程量小﹑运输方便、施工难度小等优点.就索塔式塔架而言,增大纤绳初张力可有效减小塔底弯矩,在一定范围内增大纤绳初张力可有效提高塔架稳定性.