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。     

四节点二十四自由度平板壳单元几何刚度矩阵显式解析式的推演算法研究

几何刚度矩阵的推演是结构几何非线性有限元分析的重点和难点之一。推导几何刚度矩阵显式解析表达式成为简化非线性有限元列式,提高分析效率的关键。本文在协同转动法框架下,基于刚体运动法则对四节点二十四自由度的平板壳单元几何刚度矩阵显式解析式进行了推导和讨论;分析了悬臂梁大转动、不同壁厚条件下简支圆柱形屋顶空间大变位两个经典算例。研究结果表明：（1）几何刚度矩阵的显式计算公式不仅为板壳结构几何非线性列式提供了方便而且具有良好的精度;（2）推导的几何刚度矩阵适用于各类型四边形二十四自由度平板壳单元模型;（3）与数值积分相比,采用解析形式的几何刚度矩阵可以显著提高非线性响应计算效率。     

一个统一单元矩阵计算的方法

1.引言有限元应用软件系统中,普遍采用有限元位移法。但单元矩阵(刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵、以至载荷列阵)等的计算,多数是逐一给出,部分是以元素簇给出的。本文将讨论不同类型元素的单元矩阵的统一算法和程序实施技巧,给出计算精密单元和几何非线性单元方便、有效的途径,达到以积累插值函数积累单元矩阵库的目的。     

变截面Timoshenko梁的单元刚度矩阵

变截面构件在工程中应用广泛,在对变截面梁进行数值计算时,需要建立变截面梁单元的刚度矩阵。该文采用势能驻值原理,考虑了轴力引起的几何非线性和剪切变形的影响,将梁截面刚度的变化率作为小量,得到了近似到二阶的单元刚度矩阵。在构造位移模式时,从梁的微分平衡方程出发,得到同样近似到二阶、分别以三次和五次多项式表示的剪切和弯曲位移模式。该文还证明了单元刚度矩阵的奇异性,给出了轴压刚度的表达式,定量论证了与某些精确解的误差,表明在一定范围内,该文的结果具有足够的精度。最后以一个计算实例说明该文的单元刚度矩阵具有较快的收敛性。     

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。     

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。     

薄板几何非线性中的精化元方法及膜闭锁问题

基于放松单元间协调条件的大变形变分原理和全局拉格朗日方法，推导了几何非线性精化三角形薄板单元。对几何刚度矩阵，通过引入特殊的单元位移函数，有效地消除了薄板弯曲问题中伴生的膜闭锁现象。数值结果表明该单元在几何非线性分析中既能消除膜闭锁又具有较高精度。     

应用平板壳单元DKQl6分析板壳结构的几何非线性

应用新近开发的四边形十六自由度离Kirchhoff平板壳单元DKQl6，分析了板壳结构的几何非线性问题，采用Total Lagrange格式，在小应交、中等转动的假定下，建立了该单元几何刚度阵和大位移矩阵．非线性方程采用位移引导或弧长引导的牛顿-拉夫森增量迭代法求解．讨论了网格和加载步效对收敛性的影响，通过对典型算例的计算以及与其它单元的比较，说明了DKQl6单元在板壳结构几何非线性分析中也有良好的精度．     

薄板几何非线性中的精化元方法及膜闭锁问题

基于放松单元间协调条件的大变形分原理和全局拉拉格朗日方法，推导出几何非线性精化三角形薄板单元，对几何刚度矩阵，通过引入特殊的单元位移函数，有效地消除了薄板弯曲问题中伴生的膜闭锁现象，数值结果表明该单元在几何非线性分析中既能消除膜闭锁又具有较高精度。     

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。     

空间展开折叠桁架结构动力学分析研究

本文以笛卡尔坐标系下节点自然坐标为未知量,建立了桁架结构系的基本运动力学方程,并首次推导出桁架结构中常用节点附加几何约束方程,相应约束Jacobi矩阵及其导数矩阵,采用奇异值分解法求约束Jacobi矩阵的零空间基和M-P广义逆,并由矩阵缩减法建立了带约束桁架体系的运动力学方程和求解方法。数值算例表明该方法适于可展折叠桁架结构运动力学分析。     

可折叠航天结构展开动力学分析

以欧拉参数为广义坐标（准坐标）,相对角速度和相对移动速度为广义速率,采用Ｋａｎｅ方程的Ｈｕｓｔｏｎ形式建立多体系统的运动力学方程。由伪上三角分解求约束Ｊａｃｏｂｉ矩阵的正交补阵,约简约束力,从而将运动方程由微分几何方程（ＤＡＥ）变为常微分方程（ＯＤＥ）,并由Ｇｅａｒ法对ＯＤＥ积分求出运动历程。最后给出一伸展臂数值分析算例。     

A necessary condition for stability of kinematically indeterminate pin-jointed structures with symmetry

Stability conditions are the key to transform kinematically indeterminate structures into prestressed structures or deployable structures. From the viewpoint of symmetry, a necessary condition is presented for the stability of symmetric pin-jointed structures with kinematic indeterminacy. The condition is derived from the positive definiteness of the quadratic form of the tangent stiffness matrix. Numerical examples verify that the proposed necessary stability condition is in accord with the conventional theory of structural rigidity, and is considered to be more comprehensible. It is robust and easy to implement. Results show that a symmetric prestressed structure is guaranteed to possess integral prestress modes, if the necessary condition is satisfied. Further, a pin-jointed structure with fully symmetric mechanism modes is proved to be unstable, if it does not satisfy the condition.     

橡胶复合材料结构大变形有限元分析

建立了一个橡胶复合材料结构有限元分析模型。在该模型中 ,考虑了轮胎变形的几何非线性、轮胎与地面和轮胎与轮辋的大变形非线性接触、轮胎材料的非均匀性和物理非线性及橡胶基复合材料的各向异性。此外 ,本文还利用该模型研制的有限元分析软件对全钢丝子午胎的变形轮廓进行了详细的分析。     

基于拉格朗日乘子法和群论的具有任意位移边界条件的旋转周期对称结构有限元分析

对任意位移边界条件下的旋转周期对称结构，由拉格朗日乘子法建立有限元方程。在对称适应的坐标系下，由结构刚度矩阵的块循环性质，利用群变换给出一种新的求解方法。数值验证给出令人满意的结果。     

钢－混凝土组合梁非线性有限元分析

提出了部分剪力连接钢-混凝土组合梁非线性有限元分析的简化模型，该模型同时考虑了钢、混凝土材料的非线性本构关系和剪力连接件的滑移非线性对组合梁刚度和强度的影响，推导了考虑滑移的剪力连接件单元刚度矩阵。利用该模型计算了连续组合梁的极限荷载、挠度、应力以及滑移，与已有的理论计算结果和实验结果吻合，证明本方法分析钢-混凝土组合梁非线性的可靠性和实用性。     

Analysis of clustered tensegrity structures using a modified dynamic relaxation algorithm

Tensegrities are spatial, reticulated and lightweight structures that are increasingly investigated as structural solutions for active and deployable structures. Tensegrity systems are composed only of axially loaded elements and this provides opportunities for actuation and deployment through changing element lengths. In cable-based actuation strategies, the deficiency of having to control too many cable elements can be overcome by connecting several cables. However, clustering active cables significantly changes the mechanics of classical tensegrity structures. Challenges emerge for structural analysis, control and actuation. In this paper, a modified dynamic relaxation (DR) algorithm is presented for static analysis and form-finding. The method is extended to accommodate clustered tensegrity structures. The applicability of the modified DR to this type of structure is demonstrated. Furthermore, the performance of the proposed method is compared with that of a transient stiffness method. Results obtained from two numerical examples show that the values predicted by the DR method are in a good agreement with those generated by the transient stiffness method. Finally it is shown that the DR method scales up to larger structures more efficiently.     

Numerical approach for detecting bifurcation points of the compatibility paths of symmetric deployable structures

New internal mechanisms of a deployable structure could be generated, when the structure undergoes significant transformations along its compatibility path. Because of such kind of kinematic bifurcation, the structure might not transform into the desired configuration. To design novel deployable structures, it is necessary to detect all possible bifurcation points of the compatibility paths and study the bifurcation behavior. Here, on the basis of the nonlinear prediction–correction algorithm with variable increment size, we will propose an efficient approach to detect all the possible bifurcation points of the compatibility path for a symmetric deployable structure. Null space of the Jacobian matrix is studied iteratively, to follow the complete compatibility path. The variable increment size at each step is determined by evaluating whether the configuration is close to the singular configuration. Numerical examples of several 2D and 3D symmetric deployable structures are presented, to verify the feasibility and computational complexity of the proposed approach. The results show that the proposed method is computationally efficient, and could detect different bifurcation points of the compatibility path. Further, it turns out that all the analyzed symmetric structures experience kinematic bifurcation on certain conditions.     

三维多向编织复合材料有效弹性模量的细观计算力学分析

编织复合材料性能预报与材料优化设计研究是纺织复合材料研制开发的重要环节,本文在已建立的三维多向编程复合材料单胞几何模型的基础上,研究建立了含多相介质单元的有限元分析方法,结合实例预报了碳／环氧四向编织复合材料的有效性能并和实验结构进行了对比。     

剪力墙的面外刚度对建筑结构计算结果的影响

剪力在钢筋混凝土建筑结构中有着广泛的应用,在计算时一般都忽略剪力面外刚度的贡献。本文利用一种同时具有面内刚度和面外刚度的剪力墙模型,研究了剪力墙的面外刚度对整体结构的控制位移和固有频率的影响。结果表明,剪力面外刚度的贡献与剪力墙之间的耦合程度以及是要用刚性楼板假定有关,在大型复杂的纵横剪力墙结构中,剪力墙面外刚度的贡献不可忽略。