非节点连接有限元及其在加筋结构中的应用

针对现有加筋结构有限元模型的不足,提出了自由度层次的非节点连接方法.加筋单元的各节点可位于一个或多个其它单元内部,内节点的自由度无需全部与母单元的位移场一致;通过在节点坐标系下对内节点设置独立自由度,可模拟加筋构件与基体材料之间的粘结滑移、无粘结和体外布置等位移不连续性.节点为内节点的单元的刚度矩阵和荷载向量利用虚功原理变换到对应于其广义自由度向量的形式,按照广义自由度的位置向结构整体刚度矩阵和荷载向量组装,以此实现单元问非节点位置的连接.利用开发的有限元软件计算了多个算例,验证了非节点连接方法用于加筋结构有限元建模的正确性和便利性.     

细长结构几何非线性分析的子结构方法

将细长结构沿长度方向划分为多个子结构,并在每个子结构上建立一个随结构一起运动的连体基,则结构内任意点的位移可分解为连体基的转动和相对于连体基的小位移。利用细长结构这样的变形特征,本文详细讨论了连体基的转动,给出了与连体基选择方式相协调的节点位移及其虚变分表达式,并将子结构内部位移凝聚到了边界节点上。在此基础上,提出了一种细长结构几何非线性分析的子结构方法,可在不损失计算精度的前提下大幅度降低求解规模,从而提高了计算效率。数值算例验证了所提方法的有效性。     

带有全铰节点的三维杆系结构静力分析的回传波射矩阵法研究

推导出含有全铰节点的三维杆系结构的回传波射矩阵表达式,完善了具有任意连接和约束的空间杆系结构静力分析的回传波矩阵法.基于节点平衡方程和协调方程,推导出表达杆件近端位移和远端位移关系的传递分配矩阵及载荷源向量,并通过由对偶坐标系下近端位移和远端位移的关系获得结构的总体相位矩阵,再引入转列矩阵,进而推导出结构的回传波射矩阵,在此基础上求解以杆端位移为基本未知量的线性方程组,最终得到精确确定所有杆件的杆端位移及杆端内力的矩阵列式.给出了空间杆系结构算例分析,与有限元结果比较,验证了回传波射矩阵法的计算精度.     

具有任意截面形状的各向异性平面杆系结构静力分析的回传波射矩阵法

基于Timoshenko梁静力理论和各向异性材料的本构关系,对于一般截面形状的杆系结构,推导了杆端内力与杆端位移之间的关系,并给出了作用于杆件上的荷载转化为等效节点荷载的方法.以混合节点为例,根据结构节点的力平衡和位移协调条件,推导了常见形式节点的传递分配矩阵和载荷源向量,进而得到结构的回传波射矩阵列式,求解以杆端位移为基本未知量的矩阵方程,给出了杆端位移和内力的计算公式.文中给出了算例分析.与有限元法数值结果的比较表明,回传波射矩阵法用于分析各向异性材料平面杆系结构的静力问题是有效和精确的.     

NODAL DISPLACEMENT ACCURACY OF ONE-DIMENSIONAL FINITE ELEMENTS

研究高次杆单元和梁单元的节点位移精度问题.首先求出一端固支均匀杆和悬臂梁在任意次多项式形式分布载荷作用下的位移精确解,然后用二次杆单元、五次欧拉梁单元和三次铁木辛柯梁单元求得了节点位移.通过比较有限元解与精确解以及利用静力凝聚方法,发现一次以上杆单元、三次以上欧拉梁单元以及三次以上铁木辛柯梁单元都可以给出精确的端点位移.     

一维有限单元的节点位移精度

研究高次杆单元和梁单元的节点位移精度问题.首先求出一端固支均匀杆和悬臂梁在任意次多项式形式分布载荷作用下的位移精确解,然后用二次杆单元、五次欧拉梁单元和三次铁木辛柯梁单元求得了节点位移.通过比较有限元解与精确解以及利用静力凝聚方法,发现一次以上杆单元、三次以上欧拉梁单元以及三次以上铁木辛柯梁单元都可以给出精确的端点位移.     

基于弹性动力学变分原理的模态综合法研究

视子结构为一包含许多内自由度的“大的元素”,子结构界面为“元素的边界”。本文基于弹性动力学的变分原理对界面的要求,选取模态集,导出了位移协调、位移杂交、应力平衡及应力杂交四种子结构模型;定义了有关模态贡献因子,给出模态减缩原则;并讨论了结果误差、提高精度的方法及问题的收敛性。     

界面连接刚度参数辨识的子结构分析法

以试验模态参数为基础,提出一种通过特征方程反问题辨识子结构界面连接刚度参数的子结构分析法。新方法以子结构动柔度矩阵特征方程为基础,建立求解界面结点内力和位移的方程,从而由子结构内部结点可测自由度上的位移用广义逆理论估计界面结点内力和位移。并通过迭代修正内部结点可测自由度上的试验值,以提高界面内力和位移的估计精度。最后通过连接子结构刚度矩阵建立的平衡方程求解相应的刚度参数。文中以太阳电池阵板间铰链副刚度参数辨识为例,将铰链副简化为两端结点各有6个自由度的弹簧连接元,考虑到自由度之间的耦合,推导了连接元的刚度矩阵。用上述方法辨识了铰链副6个自由度的刚度参数,得到满意的辨识结果。     

具有任意连接和约束的空间杆系结构静力分析的回传波矩阵法

本文发展了具有任意连接和约束的空间杆系结构静力分析的回传波矩阵法。以杆端位移和转角为基本未知量,通过结构所有节点的平衡方程和位移协调条件,推导出传递分配矩阵和载荷源向量,并进一步利用设定的同一杆件两个局部坐标系下杆端位移之间的关系,最终得到结构的回传矩阵。据此可求出结构所有杆件的杆端位移及杆端内力。对不同的杆件连接形式,如刚接、铰接、半刚接,以及不同的约束情况,如固定支座、铰支座、定向支座等,本文推导出了空间杆系结构的回传波矩阵表达式,可直接用于相应空间杆系结构内力的计算。同时,针对一个具体刚架结构进行了算例分析,并通过与弯矩分配法和有限元结果的比较,验证了本文方法的精确度。     

部分对称结构的分析理论

本文把群论方法与子结构分析的概念结合在一起,处理部分对称结构的分析问题,对于不可约基矢上的广义位移,文中指出了任何一个对称子结构模式的内部阵的三角化以及出口阵的凝聚都可以分成一系列子问题单独地进行。文中还给出了从各子问题的凝聚出口阵回到原位移基底上的凝聚出口阵的一种简化后的转换关系,从而使计算工作量又得到进一步缩减。 与普通的重复子结构方法相比,本文给出的方法在计算速度上有大幅度地提高。     

Numerical analysis of bifurcation buckling for rotationally periodic structures under rotationally periodic loads

By considering the characteristics of deformation of rotationally periodic structures under rotationally periodic loads, the periodic structure is divided into some identical substructures in this study. The degrees-of-freedom (DOFs) of joint nodes between the neighboring substructures are classified as master and slave ones. The stress and strain conditions of the whole structure are obtained by solving the elastic static equations for only one substructure by introducing the displacement constraints between master and slave DOFs. The complex constraint method is used to get the bifurcation buckling load and mode for the whole rotationally periodic structure by solving the eigenvalue problem for only one substructure without introducing any additional approximation. The finite element (FE) formulation of shell element of relative degrees of freedom (SERDF) in the buckling analysis is derived. Different measures of tackling internal degrees of freedom for different kinds of buckling problems and different stages of numerical analysis are presented. Some numerical examples are given to illustrate the high efficiency and validity of this method.     

位移约束下智能桁架的强度最优控制

针对智能桁架结构，提出了在考虑多点位移约束的情况下，使结构工作应力处于最佳状态的规划法最优控制模型。当结构位移约束起主要作用时，模型可在保证位移约束的前提下，同时尽可能提高结构的承载能力；当结构位移并不重要时，仍可用该模型来提高结构的承戴能力。对于复杂结构，为了提高控制效果，可以调整为了满足位移条件而需要的作动器数目及布置方案。文中给出了数值算例，说明该方法的调控能力。     

弹性薄板分析的条形传递函数方法

提出一种用于矩形弹性薄板变形分析的条形传递函数方法．一个矩形区域首先沿某一个方向被剖分成若干个条形子域,分割这些子域的直线称为结线,在结线上定义位移函数,它是结线坐标的一维函数,结线的两个端点称为结点．为适应复杂边界条件,在边界结线上定义若干结点,该结线的位移函数用结点位移参数插值表示．每个条形子域的变形用结线位移函数和适当的插值函数（形函数）表示．结线位移函数和结点位移参数满足的平衡微分方程及代数方程由变分原理给出     

The Explicit Expression of Internal Forces in Prismatic Membered Structures*

ABSTRACT

Analytic expressions for member forces in linear elastic redundant trusses have recently been given by the author. It was shown that the internal forces in a truss are the ratios of two multilinear homogeneous polynomials in the longitudinal stiffnesses of the elements of the structure. The order of the polynomials is equal to the number of nodal degrees of freedom of the structure. The number of terms of each polynomial is equal to the number of statically determinate stable substructures that can be derived from the original structure. It was shown that coefficients of the polynomials can be computed through the equilibrium equations and by enforcing global compatibility of deformations. This paper generalizes these results to the case of linear elastic structures, composed of uniform prismatic elements that have extensional, flexural, and torsional stiffness. This is done by replacing each bi-modal bending element with a unimodal moment element and a unimodal shear element. This allows the representation of deformation of the elements by six uncoupled basic deformation patterns in the case of structures in space, thus paving the way for truss-type analysis for general structures that are composed of uniform prismatic elements. As a result, multilinear polynomials that appear in expressions for stress resultants are the products of axial, bending, and torsional stiffnesses of subsets of the original structure. The number of terms appearing in the polynomials renders the exact analytic expressions intractable for practical engineering structures. However, the construct of the analytic equations may constitute a basis for writing approximate expressions for member forces in frames, explicitly in terms of rigidities of components of the structure. This paper describes such an approximate expression, with a reduced number of terms in the polynomials. The theory is illustrated with numerical examples of analysis of planar structures     

Fractal patterns from the dynamics of combined polynomial root finding methods

A solid tetrahedral finite element employing the absolute nodal coordinate formulation (ANCF) is presented. In the ANCF, the mass matrix and vector of the generalized gravity forces used in the equations of motion are constant, whereas the vector of the elastic forces is highly nonlinear. The proposed solid element uses translations of nodes as sets of nodal coordinates. The tetrahedral shape of the element makes it suitable for modeling structures with complex shapes, and the small number of the degrees of freedom enables good performance and versatile application to problems of structural dynamics. The accuracy and convergence of the element were investigated using statics and dynamics benchmarks and a practical industry application.     

瞬态热传导方程的子结构精细积分方法

对线性定常结构动力系统提出的精细积分方法,在数值精度等方面表现出极大优越性,但是当矩阵尺度很大时在数值计算与存储中将产生困难,对此,本文对瞬态热传导方程,根据结构的概念,将结构分为若干个子结构,对各子结构分别进行指数矩阵运算并通过了结构间界面的物理量相联系,从而提高精细积分方法的计算效率。     

BAND STRUCTURE AND TRANSMISSION CHARACTERISTICS CALCULATION OF PHONONIC CRYSTALS BASED ON MULTI-LEVEL SUBSTRUCTURE TECHNIQUE

基于多重多级子结构方法提出一种快速的声子晶体能带与传输特性的计算策略. 主要思想是将声子晶体划分成多层级子结构有限元模型,在能带计算中采用静凝聚和子结构周游树技术将子结构的内部刚度阵凝聚到Bloch 边界上. 由于内部刚度阵并不随着简约波矢变化,所以这种计算策略可以大大降低求解规模并提高计算效率,并不对整体有限元模型引入近似. 在传输特性计算中同样采用该策略,由于声子晶体单胞具有周期性,所以各个单胞的系数矩阵是相同的,从而减少计算量,并且可以灵活地选择是否回代求解单胞内部自由度. 数值算例以三维局域共振型声子晶体和二维Bragg 散射型声子晶体为例,计算结果验证了这种求解策略的正确性和高效性,并适用于复杂声子晶体分析.