桁架板等效刚度分析

桁架材料的连续介质等效模型的研究已有相当基础,而工程中桁架材料往往以类板结构形式出现,其变形表现出明显的弯曲特征。将类板桁架材料采用弯曲板模型模拟,研究合理的方法确定等效板模型的刚度具有重要意义。本文在基于Kirchhoff假定的小挠度薄板弹性理论框架下,研究了类板桁架材料的等效弯曲薄板模型,提出了确定薄板模型等效刚度的基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法,给出了确定各刚度系数所对应的代表体元的边界位移形式。具体计算了几种典型形式桁架板的等效刚度,并采用有限元离散模型和实验技术分析了桁架板在一定的边界约束和荷载作用下的响应,并与等效板模型的分析结果进行了对比。结果表明,在响应分析中,具有等效刚度的薄板模型可准确模拟类板桁架材料;连续介质板等效刚度计算的积分法不能给出准确的桁架板等效刚度,而基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法获得的等效板的刚度具有很高的精度。     

高温下受压钢构件考虑屈曲的有限元本构模型

为计算大空间钢结构高温下的力学性能, 需考虑受压钢构件屈曲. 将钢构件屈
曲特性反映在材料的本构模型中, 进行高温下大空间钢结构有限元计算. 通过研究轴心
受压钢构件在不同温度下的弯曲变形, 推导出考虑长细比、初始缺陷、临界力等因素的
受压钢构件名义轴向刚度; 通过能量等效, 用等效刚度代替名义轴向刚度, 得到高温下
受压钢构件考虑屈曲的钢材两折线应力--应变本构模型, 数值计算验证了模型的正确性.     

基于多弹簧模型的空间梁柱单元(Ⅱ):参数分析

为模拟地震作用时杆件在变动轴力和双向弯曲的耦合特点,基于简化纤维模型的多弹簧单元模型近年被广泛应用.本文作者在相关论文中提出了考虑剪切变形弹塑性刚度影响的多弹簧模型空间梁柱单元,杆件的计算模拟精度除了取决于单元模型之外,还决定于两个重要参数:弹簧位置及个数布置、塑性区长度,本文将针对其进行参数分析并提出合理建议取值.本文最后还提出了模拟杆件残余应力的合理弹簧布置方式.     

基于多弹簧模型的空间梁柱单元(I):理论模型

引入多轴应力状态下的塑性应力-应变关系理论,在单元模型中考虑了弹塑性区域剪切变形对单元的弹塑性刚度影响,推导了考虑剪切变形弹塑性刚度影响的多弹簧模型的空间梁柱单元刚度矩阵,为整体钢框架结构的弹塑性动力分析奠定了单元基础。     

计算叶片力学特性的三维8节点非协调有限单元法

针对叶片结构几何形状复杂的特点，建立了能进行叶片力学特性分析的三维8节点非协调有限单元模型。该模型采用了几何非线性和线弹性模式，来考虑叶片径向刚度远大于弯曲刚度而引起的在不同转速下初应力对叶片的作用，能够正确反映叶片的弯曲和扭转耦合振动模态、叶片组的切向和轴向振动模态以及它的应力状态。根据质量等效和力等效的原理，导出了在非协调单元中计算单元变形能时，记入附加的内部自由度，而计算单元的动能、体积力、表面力、以及阻尼力所做的虚功时，不记入附加的内部自由度，这是不同于目前一些文献中的提法。最后，通过实例计算验证了该模型的正确性。     

基于多弹簧模型的空间梁柱单元(II):参数分析

为模拟地震作用时杆件在变动轴力和双向弯曲的耦合特点,基于简化纤维模型的多弹簧单元模型近年被广泛应用。本文作者在相关论文中提出了考虑剪切变形弹塑性刚度影响的多弹簧模型空间梁柱单元,杆件的计算模拟精度除了取决于单元模型之外,还决定于两个重要参数:弹簧位置及个数布置、塑性区长度,本文将针对其进行参数分析并提出合理建议取值。本文最后还提出了模拟杆件残余应力的合理弹簧布置方式。     

ANCF索梁单元应变耦合问题与模型解耦

索粱结构在土木工程、航空航天等领域有着广泛的应用.在各类索梁动力学建模方法中,由于绝对节点坐标方法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)能够描述柔性体的大变形和大转动问题,因此非常适合大变形索梁结构的动力学建模.对绝对节点坐标索梁单元的应变进行分析可知,弯曲变形会引起单元内部轴向应变的不均匀分布,即单元轴向应变与弯曲应变相互耦合.这种应变耦合效应使单元产生伪应变能,导致单元刚度增大,造成单元失真.分析不同弯曲角下的单元应变及应变能可知,弯曲变形越大,单元失真越严重.通过构造等效一维杆单元重新描述轴向应变,实现了轴向应变与弯曲应变解耦.在此基础上推导广义弹性力,得到了绝对节点坐标索梁单元的应变解耦模型.对解耦前后的两种梁模型进行静力学和动力学仿真,结果表明;解耦模型消除了单元伪应变,相比原模型表现出更好的收敛性和曲率连续性,在相同单元数目下具有更高的精度.同时由于解耦模型降低了单元刚度,因此相比原模型,速度曲线中不再有高频振动.     

二节点变轴力平面梁柱单元

为了考虑平面梁柱构件在变化轴向荷载作用下的P-Δ效应,本文采用二节点平面梁柱单元,根据最小势能原理推导了单元的初应力刚度矩阵,并分别阐述了应用该单元求解结构临界荷载因子及迭代计算荷载-位移反应的方法。通过两个简单算例验证,该单元比常规的二节点常轴力梁柱单元更有效、精度更高。     

轴向约束梁柱在火灾引起温度沿截面不均匀分布条件下的大变形分析

火灾升温引起钢材强度和刚度降低,对温度沿截面分布不均匀的构件还将产生热弯曲,火灾下结构分析同时涉及几何非线性和材料非线性,无法求得解析解,只能通过数值方法求解.本文基于轴线可伸长梁理论,用勒让德多项式作为基函数逼近梁柱轴向和横向变形,根据平衡方程误差平方和最小的条件确定多项式系数的方法,分析了轴向约束钢柱在火灾引起的沿截面线性分布温度场下的受力和变形性能.考虑了温度梯度、轴向约束刚度比、荷载比、构件长度等参数的影响和升温条件下钢材的弹塑性性能的影响,该方法结果与解析结果和有限元分析结果吻合.研究表明,随着荷载比的增大构件的临界温度迅速降低,轴向约束刚度、温度梯度和构件长度仅影响构件的变形,对构件的临界温度影响较小.     

基于多弹簧模型的空间梁柱单元(Ⅰ):理论模型

引入多轴应力状态下的塑性应力-应变关系理论,在单元模型中考虑了弹塑性区域剪切变形对单元的弹塑性刚度影响,推导了考虑剪切变形弹塑性刚度影响的多弹簧模型的空间粱柱单元刚度矩阵,为整体钢框架结构的弹塑性动力分析奠定了单元基础.     

考虑约束扭转的薄壁梁单元刚度矩阵

推导了薄壁空间梁单元刚度矩阵 ,考虑了双向弯曲及截面约束扭转对杆件轴向变形的影响 ;计算了截面的翘曲变形 ,以及二次剪应力对翘曲变形的影响 ,可适用于任意截面 (包括开口、闭口和混合剖面 )的薄壁杆件。计算结果表明 ,考虑约束扭转的薄壁梁单元刚度矩阵有相当好的精确度 ,可以用于薄壁杆件的静动力分析。     

变刚度梁柱理论及其应用

为解决井斜控制实践中存在的不等截面尺寸梁柱问题, 讨论了典型的变刚度纵横弯曲梁力学 模型. 根据变刚度梁柱变形的挠曲线微分方程和边界条件及连续条件, 得到了梁柱变形和端 部转角的解析计算式, 进而应用梁柱理论叠加原理可解决有集中力作用下的井下控制工具和 带变径稳定器的底部钻具组合(BHA)受力分析问题. 变刚度梁柱理论在BHA力学分析中得到了 成功应用, 为井下控制工具设计、钻具组合优化及井斜控制提供了理论依据.     

含芯拧绞绳非线性弯曲动力学特性分析与研究

建立细长缆索大柔性多体动力学模型时,现实存在的复杂捻制几何构型多不予考虑,而是将柔索简化为材料均匀梁进行描述,致使运动仿真模型与物理实际存在一定差距. 为此,研究一种典型非线性拧绞绳股的大变形等效动力学建模方法,考虑准静态与大范围运动情况下绳股内的线接触,计算了受摩擦力及弯曲曲率影响的绳股可变弯曲刚度,通过等效梁模型避免了绳股精细建模时的大规模计算消耗. 基于连续介质力学与绝对节点坐标方法,建立了拧绞绳惯性广义坐标下的多柔体动力学模型. 为了验证等效模型的可行性,与基于有限段方法建立的精细模型进行对比仿真分析,通过位形验证了等效模型的精度. 进一步地,根据力载作用下的准静态构型,研究了特定构型绳股弯曲刚度沿轴向的分布规律;通过自重力下一端固定柔性绳摆自由运动仿真并与传统均匀梁模型相比,研究了模型弯曲特性的差异. 最后,根据能量守恒原理分析了摩擦耗散系统内各种能量间的相互转化. 拧绞绳大变形等效动力学模型能够提高绳索动力系统运动预测的仿真计算效率,还能为钢丝绳参数与构型设计提供依据.      

双金属复合管的静动态力学特性

对双金属复合管单位长度质量的等效截面抗弯曲、抗拉压、抗扭刚度进行了推导。分析了钢-铜、钢-铝双层、铜-钢-铜三层双金属复合管在不同结构和尺寸组合时,其各等效截面刚度与同规格单金属管各截面刚度之比随内层管与总管壁厚之比n的变化规律。获得了最优刚度性能的复合管最佳结构与尺寸组合,能节约贵金属材料。采用等效截面抗弯曲刚度、等效截面抗拉压刚度、等效质量法,推导出双金属复合管弯曲振动和轴向振动固有频率的计算模型;采用等效截面抗扭刚度、等效质量并结合等效转动惯量法,推导出其扭转振动固有频率计算模型。复合管前三阶固有频率的计算值与有限元值相比,最大误差为2.35%;与实测值相比,最大误差为3.15%。研究结果表明:内铝、外钢复合管在抗弯、抗扭方面(n=0.63时)存在最优结构。     

层合板界面层的弹簧界面元等效刚度计算模型

弹簧界面元是一种最常用的层合结构界面脱层数值模拟的计算模型.但目前对应于给定的复合材料层合板界面层,弹簧界面元的长度和等效刚度的确定却没有严格的方法,所以时常因为弹簧元刚度定义的不当而导致脱层数值模拟结果的不稳定甚至计算困难.本文给出了一种基于层合板粘接层的实际厚度和材料特性确定弹簧界面元的长度和等效刚度的计算模型.通...     

空间曲梁单元的扭转修正系数研究

三维空间曲梁有限单元模型是模拟曲梁结构的有效数值方法,可以考虑曲梁的弯扭耦合特性,最为符合曲梁的几何和受力特征.由于有限元法采用梁理论的平截面假定,空间曲梁单元上的扭转剪应力分布与实际曲梁截面上的扭转剪应力不同,从而会导致扭转刚度和扭转变形的计算失真.本文基于剪切应变能等效原理,推导了不同长宽比的矩形截面空间曲梁单元的扭转刚度修正系数η和截面边中点处扭转剪应力的修正系数λ,并采用曲线悬臂梁进行了验证.验证结果表明,根据本文提出的η作为校正因子的空间曲梁单元模型,对任意矩形截面曲梁计算的扭转变形均与实体单元模型的结果吻合良好;且只有截面为正方形时,扭转剪应力修正系数η才恰好与弯曲剪应力修正系数(1.2)一致.     

基于等效刚度的矩形孔蜂窝梁钢框架结构内力计算方法

蜂窝梁钢框架结构因梁截面沿长度周期性变化，不能直接采用普通钢框架结构矩阵位移法计算框架内力和位移．本文基于等效刚度法推导了矩形孔蜂窝梁的等效抗弯刚度、抗剪刚度和轴向刚度，建立了矩形孔蜂窝梁的单元刚度方程，提出了矩形孔蜂窝梁钢框架内力和位移计算方法．算例理论计算结果与有限元分析结果表明，两种方法计算结果非常接近．本文提出的等效刚度法概念清晰，准确性好，适用于计算蜂窝梁钢框架结构的内力和位移．     

用于正交各向异性织物仿真的弹簧质点模型

针对正交各向异性织物,本文提出了一种含附加节点的三角形弹簧质点模型．通过冗余自由度的引入和缩聚,能够实现有限元模型和弹簧质点模型三角形单元刚度矩阵的精确相等;据此,针对一般正交各向异性材料常数和单元形状,推导出弹簧质点模型中弹簧刚度系数及附加节点位置的解析表达式,有效解决了传统弹簧质点模型在正交各向异性织物仿真中存在的计算精度不高、弹簧参数选取随意等缺陷;并进一步完善了基于弹簧质点模型的柔性织物空间变形算法．数值模拟表明本文提出的弹簧质点模型和变形算法在进行织物仿真计算时,具有精度好、通用性强等优点．     

用于多种夹层板等效的有限元分析法

针对夹层板力学性能解析法难于计算复杂结构的夹层板且通用性差的问题,本文采用有限元分析法研究了夹层板性能的等效方法。对夹层板的代表体单元模型施加位移约束,模拟弯曲变形时线性独立的应变分量和弯曲内力;根据夹层板内力与应变的本构关系,求出刚度矩阵;最后由刚度矩阵得出宏观等效弹性常数,从而把夹层板等效成连续材料的单层板单元。将该方法与解析法计算结果进行比较得到的夹层板单元四个主要弹性常数误差在0.2%以内,验证了该方法的有效性;另外采用该方法等效三种典型结构夹层板,比较实际模型和等效模型的弯曲响应,得到的误差均在1.4%以内,表明该方法在不考虑复杂多变的夹芯结构时具有通用性。     

钢-混凝土组合箱梁梁段有限元法研究

组合梁界面滑移将减小组合梁刚度,增大变形,影响构件性能;剪应力沿截面横向分布不均匀,造成其弯曲正应力的横向分布呈曲线形状,即剪力滞效应;同时组合梁往往重载,具有较小的跨高比,剪切变形不可忽略.根据虚功原理,建立了同时考虑滑移效应、剪力滞及剪切变形效应的组合梁单元刚度矩阵及等效节点力向量,并在此基础上编制了组合梁梁段有限元程序.利用本文程序对现有组合梁试件的混凝土顶板应力、钢梁底板应力、跨中挠度和梁端滑移进行了计算,并将本文计算结果与解析法计算结果及试验结果进行了比较.结果表明,本文计算结果与解析法计算结果及试验结果吻合良好;同时,本文计算结果具有较好的稳定性,验证了本文计算方法的正确性.本文所建立的梁单元刚度矩阵同时考虑了剪切变形、剪力滞及滑移效应的影响,符合工程实际,为有限梁段法分析组合箱梁提供了理论基础.