高效双非线性平面梁单元算法研究

基于随转坐标法和场一致性原则发展了一种用于结构几何与材料双非线性分析的平面梁单元算法,并编制了相应的计算机程序。在随转坐标系下计入材料非线性,采用截面纤维积分法处理任意形状的平面梁单元截面并导出截面切线刚度矩阵,并利用虚功原理得到单元切线刚度矩阵,此过程无需迭代,因而使计算效率得到很大提高;几何非线性效应则通过变量在随转坐标系与结构坐标系之间的转换得以体现。用本文方法对肘式框架的几何非线性进行分析,计算结果与试验结果吻合良好;对简支梁进行分析,在只考虑材料非线性而不考虑几何非线性情况下,本文结果和已有文献结果与解析解的误差分别为1.5%和4.2%;在考虑几何与材料双非线性情况下,本文结果和已有文献结果与ANSYS程序解的误差分别为2.9%和5.9%,与已有文献结果相比,本文所得受力后期的荷载-位移曲线更接近实际情况。     

集中载荷作用下具有光滑中心波纹膜片的非线性分析

波纹膜片是一种薄壳弹性体，由于它的参数很多，又相互制约，所以使得它的设计很复杂。在大多数位移式仪器仪表中，要求波纹膜片产生至少和膜片厚度是同样数量级的弹性位移。这就要求使用薄壳的几何非线性理论进行分析。大多数学者研究波纹膜片的弯曲问题，是采用扁壳理论讨论具有浅波纹的膜片。而工程实际中，经常遇到深波纹膜片，这就要求从一般壳体大挠度方程进行求解。本文采用轴对称旋转壳体的简化Re-issner方程。研究了在中心集中载荷作用下具有光滑中心波纹膜片的非线性弯曲问题。应用积分方程方法，可以获得膜片的特征关系（载荷-中心挠度关系）和应力分布。文末给出实例计算的数值结果。     

用于几何非线性分析的内参型非协调元法

本文把内参型非协调元的理论和方法推广应用于几何非线性分析。对方法的合理性、可行性、单元收敛条件及实用简化方案等诸方面作了初步探讨。文章以大位移平面问题为例进行了详细讨论,给出了有限元非线性列式的全过程和数值结果。     

几何非线性分析的无网格伽辽金算法

利用几何非线性的应变-位移关系,在小应变假设的条件下,推导出二维几何非线性问题中的无网格伽辽金法的计算格式。由于无网格方法中的形函数不具备Kronecker delta性质,文中采用罚方法来实现本质边界条件。数值实例表明,无网格伽辽金法在处理几何非线性问题时,具有较高的计算精度,是一种有效的数值计算方法。     

柔性索网结构的非线性变形

根据柔索应变与位移的非线性几何关系以及自重作用和温度影响下的平衡方程,采用欧拉描述的坐标系精确地求得了各点的位移和张力的解析解。对柔性索网结构建立的非线性代数方程组应用改进的Powell混合算法编制的高精度DNEQNF程序直接进行求解,给出了平面索网变形分析的数值算例并与相关文献进行了比较。算例结果表明与其它方法相比,本文方法对求解柔索的非线性变形问题求解简单,便于应用。     

基于ANSYS二次开发的几何非线性平面梁单元

共旋坐标法(C.R法)具有在局部坐标系考虑材料非线性,通过局部坐标系与结构坐标系之间内力和切线刚度矩阵的转换矩阵来考虑几何非线性,从而实现两种非线性脱耦的优点,C.R法相对于其它非线性有限元列式而言较少运用于商业程序。本文利用ANSYS平台提供的单元二次开发工具——用户可编程特性(UPFs),开发了基于C.R法的几何非线性平面梁单元,给出了详细的算法及流程,通过多个算例对本文算法及程序进行了验证。研究表明:该方法能有效利用共旋法非线性单元和ANSYS商业程序的优点,对于方框架在对边中点受一对集中力的算例1,采用二次开发的用户梁单元与beam3梁单元在每个荷载步下收敛所需的迭代次数分别为3次和6次;对于预应力钢筋混凝土悬臂梁发生大变形的算例2,上述两种单元模型进行非线性计算能收敛的预应力加载系数分别为132和128,可知本文基于共旋法得到的ANSYS二次开发用户梁单元提高了非线性计算的效率和能力,可用于平面梁结构的几何非线性分析。     

空间杆系结构实用几何非线性分析

从简单实用的角度论述了空间杆系结构的几何非线性分析方法。文中分析了非线性有限元方法的求解过程,特别强调决定几何非线性收敛结果的关键问题,即由节点位移增量计算单元的内力增量。通过引入转随转坐标系,论述了平面和空间梁单元小应变时单元内力增量的计算问题。针对杆系结构的大应变问题,从有限应变理论出发进行分析,提出了对该问题的有效处理方法,并且用实例进行了验证。计算结果表明,该实用几何非线性分析方法是可靠和有效的。     

非线性粘弹性平面问题的数学模型及其失记效应

本文以位移为基本未知量,利用非线性粘弹性力学中的Leaderman本构关系和线性几何假设,建立了非线性粘弹性平面问题的数学模型;在粘弹性泊松比为常数的情况下,利用Titchmarsh定理和Laplace变换法证明了非线性粘弹性平面问题与非线性弹性平面问题之间存在着某些对应关系,对应关系为粘弹性问题的求解提供了一种新的思路,利用这些关系可直接从相应弹性问题获得粘弹性平面问题的部分响应,与传统的时域有限差分法相比,计算时间明显缩短,另外,对应关系也揭示了粘弹性结构的失记效应,即结构的部分响应仅与外部输入的现时值有关,而与其历史无关。     

折叠结构几何非线性分析

本文提出了一种推导折叠结构宏单元刚度矩阵的新方法,即在所假设普通单元位移模式的基础上直接引入位移约束条件,得到宏单元的形函数矩阵,进而给出宏单元的力与位移间关系。利用该思路,文中简捷地推导出剪式单元三节点梁大位移小变形的几何非线性切线刚度矩阵,并给出了线性刚度矩阵的显式。算例表明,分析折叠结构承载能力和自稳定结构的展开或收纳过程,考虑几何非线性的影响是必要的。     

插值矩阵法分析与复合材料界面相交的平面裂纹奇异应力场

提出了用插值矩阵法分析与各向异性材料界面相交的平面裂纹应力奇异性。基于V形切口尖端附近区域位移场渐近展开,将位移场的渐近展开式的典型项代入线弹性力学基本方程,得到关于平面内与复合材料界面相交的裂纹应力奇异性指数的一组非线性常微分方程的特征值问题,运用插值矩阵法求解,获得了平面内各向异性结合材料中与界面以任意角相交的裂纹尖端的应力奇异性指数随裂纹角的变化规律,数值计算结果与已有结果比较表明,本文方法具有很高的精度和效率。     

加权残值法在钢筋混凝土拱桥非线性有限元分析中的应用

本文用圆弧梁离散拱肋;用圆柱拖带坐标、三次位移插值函数及平截面假定来描述单元位形;用加权残值配点法来消除曲梁单元的剪力与膜力闭锁。按基于连续介质力学的Ｕ．Ｌ．列式建立单元增量平衡方程,以考虑几何非线性。假定钢筋为理想弹塑性材料。按三参数各向同性强化塑性模型,建立混凝土的弹塑性本构矩阵。将拱单元分段分块,根据钢筋及砼的本构特性,建立拱单元及梁段单元的弹塑性刚度矩阵,以考虑材料非线性。用编制的程序对两座模型拱桥进行计算,计算结果与模型测试结果接近     

可带铰空间梁单元几何非线性分析的随转坐标法

为了降低可带铰空间梁单元切线刚度矩阵的运算量、提高非线性计算精度,本文首先通过建立单元随转坐标系得到扣除刚体位移后结构变形与总位移之间的关系,进而基于场一致性原则导出空间梁单元的几何非线性单元切线刚度矩阵,并在此基础上根据带铰梁端弯矩为零的受力特征得到考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式。该方法利用随转坐标系下除单元轴向相对位移外的其余五个线位移均为零的特点,降低了计算单元切线刚度矩阵所需的相关矩阵阶次,因此减少了运算量。对对角点受拉铰接的方棱形框架进行计算,得出本文结果与解析解的最大误差为0.226%;对45°弯梁和带铰平面结构的空间受力进行计算,得出前者与已有文献提供的解非常接近,误差为0.027%～2.394%,后者与 ANSYS 计算结果的最大误差为1.082%,表明本文算法具有良好的精度。     

基于能量优化的桁架几何非线性问题力密度法

力密度法最初是求解膜结构找形问题的方法,经发展可用于计算桁架结构的几何非线性问题。本文应用力密度法建立结构变形后的非线性平衡方程及相应的雅可比矩阵,用于迭代求解;从能量原理出发,推导出杆单元应变能、外荷载势能、结构总势能在每次迭代位移方向上关于步长λ的显式列式。相对于固定步长的牛顿法,本文将最优迭代步长λ引入求解,使结构在每次迭代位移方向上均达到总势能最小。经桁架算例验证,表明该方法可加快计算收敛进程。     

张力结构的非线性有限元分析

张力结构中的索结构分析通常采用非线性二节点直线或二次曲线单元，但是在大跨度结构，尤其是索弯顶结构的分析中，常用的单元已不能满足精度的要求，本文提出了考虑自重作用下有初始垂度的五结点非线性空间曲线元模型，放弃了一些特殊的假定，考虑了应变表达式中高阶量的影响，推导出了适合于弹性大位移几何非线性分析的Ｌａｇｒａｎｇｄ方程及其切线刚度矩阵，编制了相应的计算程序。     

S形剪力墙结构高层建筑的动力与静力分析

S形剪力墙结构高层建筑平面形状复杂,特别是长与高相当,不能采用刚性楼板的假定时,其动力与静力分析都是十分困难的。鉴于内存及外部设备的限制,本文采用了以下力学模型处理和JIGFEX程序技巧,较好地克服了上述困难: (1)采用了空间离散质点的动力分析模型; (2)多层子结构模式; (3)节点位移的主从关系及相应位移规格数的概念; (4)引入等价膜概念,采用简单而又较精确的计算模型; (5)采用了空间离散质点的多阶振型组合计算地震力。 昆仑饭店工程实例计算表明,上述处理是有效的,在国产TQ-18计算机上用JIGFEX程序系统对大型复杂的高层建筑进行动力与静力分析是可行的。     

杆系结构的几何非线性分析：Ⅰ.平面问题

本文以三维连续体的虚功增量方程为基础，采用平动、转角位移分别插值的方法，导出了梁结构大位移、大转动问题内力分析的ＵＬ法。本文考虑了轴向、剪切和弯曲效应，提出了新的几何刚度矩阵。算例表明，依本文方法编制的程序具有分析结果强几何非线性行为的有能力；在满足本文位移假定的条伯下，可以描述任意大角度的刚体转动。     

刚接与铰接混合连接杆系结构的几何非线性分析

本文提出用子结构原理解决具有刚接与铰接混合连接空间杆系结构的几何非线性分析,实现其非线性稳定性分析的载荷-位移全过程跟踪。该法无须单独推导刚接、铰接以及一端刚接一端铰接单元的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵,而可以直接由空间梁单元退化得到,而且可以将平面问题与空间问题、刚接与铰接混合连接体系进行统一处理,算例表明,本文方法对于杆系结构的统一和整体分析是有效的。     

杆系结构的几何非线性分析──Ⅰ．平面问题

本文以三维连续体的虚功增量方程为基础，采用平动、转角位移分别插值的方法，导出了梁结构大位移、大转动问题内力分析的ＵＬ法。本文考虑了轴向、剪切和弯曲效应，提出了新的几何刚度矩阵。算例表明，依本文方法编制的程序具有分析结构强几何非线性行为的能力；在满足本文位移假定（即每次加载增量中转角增量是小量）的条件下，可以描述任意大角度的刚体转动。     

平面梁杆结构几何非线性分析的一种简便方法

本文提出了一种新的几何非线性分析方法，适用于结点位移任意大，单元刚体转角任意大、单元局部弯曲比较小的平面梁杆结构。文中的刚度矩阵和附加荷载列阵都是以显式形式给出的，可直接应用。     

钢管混凝土柱-钢梁节点的力学性能分析

基于弹塑性有限元理论建立了钢管混凝土柱-钢梁节点荷载-位移全过程非线性有限元模型,在单元分析中采用改进的AUL表述推导得到梁柱单元刚度矩阵方程,同时考虑了材料的物理非线性和单元的几何非线性,并编制了非线性有限元程序NLFEACFST。采用该模型对相关研究者和作者进行的节点试验进行了分析,理论计算结果与试验结果比较表明,该模型具有很好的适用性和精度。在理论分析模型得到试验结果验证的基础上,对典型的中柱节点进行了荷载-位移全过程非线性特性分析,并对影响节点承载力和荷载-位移骨架曲线的因素进行了参数分析,为进一步从理论研究钢管混凝土框架结构的力学性能创造了条件。