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。     

大型渡槽动力设计方法研究

根据大型渡槽结构的特点,在缺乏适用的抗震分析模型前提下,提出支撑-渡槽-水伪三维流固耦合动力分析方法。模型基于结构动力分析理论和流固耦合分析理论,整体结构分析采用Newmark方法进行动力时程分析,分析中考虑渡槽结构整体受力性能,包括下部支撑结构、地基等多种因素的影响作用;渡槽-水耦合体子结构分析采用任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)有限元方法进行动力分析,考虑渡槽-水的耦合相互作用,模拟渡槽中水体的大幅晃动作用,相应得出渡槽中动力压力值及其分布。以某排架支撑矩形渡槽为例,采用本文提出的伪三维模型进行地震时程分析,计算结果与三维模型计算结果吻合良好。本文提出的伪三维动力分析方法计算效率高,满足渡槽结构抗震设计要求,便于工程应用,是大型渡槽结构动力分析研究和抗震设计的实用静、动力分析方法。     

薄壁杆系结构的梁元分析模型

本文导出了用于薄壁杆系结构弹性分析的薄壁梁元分析模型，在空间梁元分析模型^[3]的基础上，采用了一种改进的位移模式，考察了薄壁杆件可能发生的拉压，剪切，弯曲，扭转和翘曲等各变形形式以及它们的耦合效应，得出了相应的单元形函数，同时从工程应变的定义出发，采用Taylor级数展开的方法，建立了单元的五阶近似正交变表达式，并建立了相应的薄壁单元刚度方程，从而得出了局部坐标系下单元刚度矩阵的显式，根据本文所导出的薄壁梁元分析模型，编制了相应的结构计算程序，通过算例验证了本文所推导的单元刚度矩阵，同时通过与传统空间梁元计算模型计算结果的比较，阐述了截面翘曲对薄壁杆系结构的影响。     

一种新的薄壁杆件单元扭转刚度矩阵

本文提出一种新的薄壁杆件单元扭转刚度矩阵,它能够计及二次剪应力对翘曲变形的影响,并适用于任意剖面(包括开口,闭口和混合剖面)的薄壁杆件。计算表明,这个新的扭转刚度矩阵有相当好的精确度,可以代替Kawai或Gunnlaugsson-Pedersen的刚度矩阵,用于薄壁杆件的有限元静动力分析。     

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.     

汽轮发电机基础动力特性分析及优化设计

为了改善大型汽轮发电机基础动力特性分析存在的建模困难、计算量大、耗时多等问题,并降低汽轮发电机基础的最大动位移和提高基础的动力特性,以某电厂汽轮发电机基础为研究对象,分别采用实体单元计算模型和简化后的梁单元计算模型为动力特性计算模型,计算基础在1Hz~50Hz频率内的动力特性;然后基于梁单元计算模型,采用Kriging代理模型优化算法,以基础几何结构为设计变量,以降低基础最大动位移为设计目标,对基础进行优化设计。数值结果表明:梁单元计算模型与实体单元计算模型得到的计算结果相近,最大误差为3.79μm,在允许范围内,简化后的梁单元计算模型可有效地用于汽轮机基础动力特性计算;优化后的汽轮发电机基础的最大动位移减小了22.36%。本文介绍的Kriging代理模型优化算法能有效地应用于大型汽轮发电机基础的动力特性优化设计,降低基础的最大动位移和提高基础的动力特性。     

受冲薄壁结构动力效应的显式有限元分析

提出一种计算受冲薄壁结构动力效应的显式有限元方法,采用退化四节点壳单元及快速可行的接触搜寻法,动用基于Ｐｒａｎｄｔｌ－Ｒｅｕｓｓ塑性流动增量理论的等向强化塑性Ｓｙｍｏｎｄｓ应变率材料模型与合适的应力回映方法,可以准确地模拟受冲薄壁结构的动态过程,文中实例表明：已被广泛采用的Ｒｅｉｄ与Ｒｅｄｄｙ的针对薄壁圆管横向压缩中某些特殊情况而作的变形模式假设并不具有广泛适应性;对应变率敏感材料,应变率效应不仅     

大型空间结构的热-动力学耦合问题及其有限元分析

论文对辐射换热条件下闭口薄壁杆件与单枝开口薄壁杆件的瞬态温度场问题,提出了一种一维傅立叶温度有限元,克服了传统一维温度单元只能计算薄壁杆截面平均温度的缺点,通过增加结点摄动温度自由度的方法,该一维单元能计算杆截面的温度分布.在此一维温度单元与梁位移单元相协调的基础上,进一步发展了大型空间结构热诱发振动稳定性判据与热颤振响应有限元计算方法.对于柔性空间结构发展了考虑几何非线性的热-结构动力学耦合有限元计算方法,成功地对这类结构的热动力屈曲问题进行了数值模拟.     

纤维杆元模型在框架结构非线性分析中的应用

本文基于Fiber模型,结合分段变刚度概念,推导建立了便于框架结构非线性分析应用的纤维杆元模型,即由杆件两端弹塑性区的纤维子单元及杆件中部弹性区的弹性子单元组成。弹塑性区由于受力较大,采用精细的纤维子单元模拟,中间弹性区受力相对较小,直接采用弹性子单元代替;同时,应用增分理论,分别推导了三维纤维子单元及弹性子单元的单刚矩阵,并采用静力凝聚方法,集成了三维纤维杆元模型的刚度矩阵。另外,直接应用混凝土及钢筋的本构关系,利用该计算模型对一栋12层框架结构进行了时程非线性分析,计算结果与振动台试验结果进行了比较,比较结果表明两者在结构动力特性,位移响应方面等均吻合较好,验证了该模型的有效性,可为推广使用提供参考。     

高层空间框架结构动力分析的超级元子结构模型

本文将超级元和子结构的思想相结合,根据框架结构的变形特点,建立了高层空间框架结构动力分析的超级元子结构模型。模型中将楼面划分为子结构,在总结构层次将各子结构假想为二维连续体后用超级元来描述,而在子结构内部仍用经典有限元三维梁单元模拟。据此,框架梁位于同一超级元内,而框架柱连接不同的超级元。通过假设子结构内部结点自由度与总结构结点自由度的位移关系,得到超级元的质量矩阵以及框架梁和框架柱的单元刚度方程。该模型中空间框架结构的动力和非动力自由度均有大幅度的缩减,而刚性楼面假定可以进一步减少计算量。最后通过一幢30层钢筋混凝土空间框架结构的动力特性分析验证本文理论的正确性和适用性。     

New spatial curved beam and cylindrical shell elements of gradient-deficient Absolute Nodal Coordinate Formulation

Based on previous studies, a new spatial curved slender-beam finite element and a new cylindrical shell finite element are proposed in the frame of gradient-deficient Absolute Nodal Coordinate Formulation (ANCF). The strain energy of the beam element is derived by using the definition of the Green?CLagrange strain tensor in continuum mechanics so that the assumption on small strain can be relaxed. By using the differential geometry and the continuum mechanics, the angle between two base vectors of a defined local coordinate frame of the cylindrical shell element is introduced into the strain energy formulations. Therefore, the new shell element can be used to model parallelogram shells. The analytical formulations of elastic forces and their Jacobian for the above two finite elements of gradient-deficient ANCF are also derived via the skills of tensor analysis. The generalized-alpha method is used to solve the huge set of system equations. Finally, four case studies including both static and dynamic problems are given to validate the proposed beam and cylindrical shell elements of gradient-deficient ANCF.     

一维轴对称杆件爆源模型及其在台阶爆破模拟中的应用

为了解决在实体炮孔建模时需要加密网格、计算量大等问题,提出了一种一维轴对称爆源模型:利用一维线状杆件表述炮孔及炸药,实体单元表述周围岩体,通过杆件节点与实体单元的拓扑关系,将杆件节点上的爆生气体压力施加至周围实体单元上,并根据实体单元的体应变计算出杆件节点处的横截面变化情况,从而实现模拟炸药与周围岩体的相互作用。通过与实体炮孔模型的数值对比分析,发现压力衰减指数为1.25时,一维轴对称爆源模型获得的径向质点峰值振动速度（peak particle velocity, PPV）衰减规律及振动速度时程曲线与实体炮孔模型基本一致,证明了该模型在模拟爆破问题中的精确性。针对混凝土块动态爆破破坏特性的研究,通过与文献对比分析,进一步验证了该模型的正确性。为验证该一维轴对称爆源模型在台阶爆破模拟中的应用,以鞍钢露天铁矿台阶爆破开采为研究对象,建立了5排50炮孔三维台阶爆破概化模型,模拟了爆区内露天边坡的损伤破坏状态。数值计算结果表明,爆区内拉伸破坏为主,并且除了离爆源较近的第一个测点外,其余测点处的振动速度峰值大小及其随距离的变化规律与现场实测数据基本一致,证明了所提爆源模型在三维台阶爆破远场模拟的可行性。     

基于压电曲壳单元的结构振动最优控制

曲壳结构已广泛应用于航空航天、航海等领域,结构微小的振动会极大地影响部件性能,抑制曲壳结构的振动就很必要。提出了压电曲壳结构的振动最优控制模型,利用空间曲壳单元理论及多点约束方程实现曲壳基结构壳元和压电壳元的耦合,推导了压电曲壳结构动力学有限元方程,并结合线性二次型最优控制理论,实现了压电作动器对曲壳结构的振动最优控制。数值算例表明,对曲壳结构进行动力分析和振动控制时,在达到同样精度及控制效果的情况下,与平壳相比,曲壳单元及作动器所需数目要少得多。     

Geometric nonlinear formulation for curved beams with varying curvature

Based on exact Green strain of spatial curved beam, the nonlinear strain-displacement relation for plane curved beam with varying curvature is derived. Instead of using the previous straight beam elements, curved beam elements are used to approximate the curved beam with varying curvature. Based on virtual work principle, rigid-flexible coupling dynamic equations are obtained. Physical experiments were carried out to capture the large overall motion and the strain of curved beam to verify the present rigid-flexible coupling formulation for curved beam based on curved beam element. Numerical results obtained from simulations were compared with those results from the physical experiments. In order to illustrate the effectiveness of the curved beam element methodology, the simulation results of present curved beam elements are compared with those obtained by previous straight beam elements. The dynamic behavior of a slider-crank mechanism with an initially curved elastic connecting rod is investigated. The advantage of employing generalized-α method is pointed out and the special nonlinear dynamic characteristics of the curved beam are concluded.     

钢筋混凝土平面框架节点单元BCJ⁃5N

本文基于四根刚臂梁结合12个外接一维单元建立了钢筋混凝土框架节点单元，单元具有5个节点15个 自由度，称之为“BCJ-5N”单元．每个节点具有3个自由度，与普通梁单元一致，从而确保本单元适合于同普 通一维梁柱单元一起进行钢筋混凝土结构平面非线性分析．单元考虑了梁受力钢筋在框架节点内的黏结滑移作 用，并通过钢筋混凝土梁正截面强度设计建立了梁端弯矩与截面转角关系的骨架曲线，结合Lowes加载卸载模 型，组成了完整的静力、动力分析的框架节点单元，并将其移植到 ABAQUS通用分析平台上，通过对两跨三 层钢筋混凝土框架结构的滞回分析和三跨三层钢筋混凝土框架结构的动力分析两个算例，验证了本模型适合于 进行循环荷载和动力荷载作用下平面框架结构非线性响应分析．     

Nanoscale finite element models for vibrations of single-walled carbon nanotubes: atomistic versus continuum

By the atomistic and continuum finite element models, the free vibration behavior of single-walled carbon nanotubes （SWCNTs） is studied. In the atomistic finite element model, the bonds and atoms are modeled by the beam and point mass elements, respectively. The molecular mechanics is linked to structural mechanics to determine the elastic properties of the mentioned beam elements. In the continuum finite element approach, by neglecting the discrete nature of the atomic structure of the nanotubes, they are modeled with shell elements. By both models, the natural frequencies of SWCNTs are computed, and the effects of the geometrical parameters, the atomic structure, and the boundary conditions are investigated. The accuracy of the utilized methods is verified in comparison with molecular dynamic simulations. The molecular structural model leads to more reliable results, especially for lower aspect ratios. The present analysis provides valuable information about application of continuum models in the investigation of the mechanical behaviors of nanotubes.     

简化有限元方法的波纹管模态分析

采用简化方法对单层U型波纹管进行有限元模态分析。在长度,质量,对轴线转动惯量,体积,轴向弹簧比率以及周向弹簧比率不变的前提下,把波纹管简化成直壁薄管,用直壁薄管模型代替波纹管模型进行有限元模态计算。简化了计算模型,减少了计算量,提高了计算效率。本文给出了明确的等效直壁薄管的几何参数,物性参数的求解公式,改变了Broman人为设定直壁薄管厚度的方法,取得了更加准确的计算结果,使利用直壁薄管模型求解波纹管固有频率具有通用意义。进行了直壁薄管模型得到模态振型与波纹管模型得到模态振型之间的比较,认为直壁薄管模型可以求解波纹管的振型。     

计及热应变的空间曲梁的刚-柔耦合动力学

研究带中心刚体的作大范围运动的空间曲梁的刚-柔耦合动力学.结合混合坐标法和绝对坐标法的特点,取与中心刚体大范围运动有关的变量和柔性梁各单元节点相对中心刚体连体基的位移和斜率作为广义坐标,建立了一种新的柔性梁的刚柔耦合模型.基于精确的应变和位移的关系式,根据Jourdian速度变分原理,建立了带中心刚体柔性曲梁的有限元离散的动力学方程.数值对比了空间曲梁系统和空间直梁系统的刚柔耦合动力学性质,用能量守恒规律验证了文中曲梁模型的合理性.在此基础上,在应变能中计及热应变,研究温度增高引起的曲梁的热膨胀对系统的动力学性态的影响.     

基于ABAQUS的小尺度桩柱波浪力计算方法

基于达索公司开发的ABAQUS有限元分析软件,利用ABAQUS提供的用户子程序编制程序,计算分析风电机组在海洋环境中受到的波浪力.在计算中,使用了三维梁单元和壳单元建模,应用线性波模拟海洋环境中的波浪.基于莫里森方程和数值积分的方法,分析桩柱形支撑结构上的波浪载荷,计算支撑结构的位移,应力变化等,得到了较好的结果.