框架结构P-△效应分析的微分求积单元法

采用一种新的数值方法——微分求积单元法分析框架结构的P-△效应。微分求积单元法采用微分求积法直接求解微分方程的技术，并结合有限分割技术而形成。首先建立考虑剪切变形和轴力二阶效应的框架结构单元平衡微分方程，通过微分求积离散而得到梁单元的一般弹性刚度方程；同时考虑变形后节点的平衡条件和变形协调条件，导出框架结构整体二阶分析的微分求积单元法力学模型。由于该分析模型中包括了单元及结构的所有离散形式的控制方程，因此采用该模型进行结构分析可得出较为精确的解。数值算例的分析比较，表明了该法用于框架结构P-△效应分析的正确性和有效性。本文导出的框架结构二阶分析的微分求积单元法力学模型可用于框架结构剪切变形与几何非线性的耦合效应分析。     

微分求积单元法在结构工程中的应用

微分求积法（Differential Quadrature Method）是求鳃偏微分方程和积分-微分方程的一种数值方法，该法具有计算简便、精度较高和易于实现等优点。微分求积单元法（Differential Quadrature Element Method）是在微分求积法的基础上结合区域分割和集成规则而形成的一种新的数值计算方法，能通过自适应地选取微分求积网点数目正确模拟构件的刚度和荷载性质，其精度可通过细分单元或增加离散点数目加以提高。微分求积单元法是一种可供选择的、性能优越的数值计算方法。本文将详细论述这一数值方法的基本原理，并通过数值算例说明该方法的应用过程及其优越性，为这一方法在结构工程中的推广应用提供参考。     

混合微分求积法在功能梯度材料平板柱形弯曲问题中的应用

利用混合微分求积法,对任意荷载作用下不同材料梯度分布的功能梯度材料平板柱形弯曲问题进行了分析。针对广义微分求积法求解集中荷载问题精度不高的缺点,本文利用小波微分求积法进行了改进。由于小波对突变信号具有良好的自适应描述能力,因此在平板宽度方向上,利用小波微分求积法可以有效地处理集中荷载;而在材料梯度变化的板厚方向上,则利用广义微分求积法计算量小且精度高的特点进行离散计算。计算表明,混合微分求积法不仅保留了广义微分求积法高效的特点,而且能有效地求解任意荷载作用的问题。通过算例,分析了在机械荷载作用下,材料不同梯度形式、平板上下表面材料性质差异对功能梯度平板结构响应的影响。     

基于梁-柱连接转动模型变截面门式刚架抗震承载力分析

轻型门式刚架结构变形能力小、延性性能较低,地震对其影响不可忽略。传统计算中梁柱连接通常按刚性节点考虑,但端板连接节点具有明显的半刚性特征,考虑节点转动影响的抗震承载力计算对于结构设计有着重要意义。本文在变截面门式刚架梁-柱端板连接转动关系研究的基础上,将节点域转动模型导入整体结构中,以转动弹簧形式模拟梁柱连接。针对简化模型进行分析,与试验以及全尺寸实体单元有限元模型计算结果比较发现,其在承载力计算上精度较高,误差在10%以内,满足工程应用要求。本文研究将简化变截面门式刚架结构的抗震承载力计算,具有较好的理论与工程意义。     

轻型变截面门式刚架梁-柱端板连接转动模型研究

以门式刚架端板竖放连接节点滞回试验为基础,对节点域的弯矩-转角转动关系进行研究,其中节点域定义为节点、1.0倍柱大端截面、1.5倍梁大端截面长度区域,节点域包含结构破坏位置,可反映出整个门式刚架的受力情况。首先,基于强化双线性模型,通过理论分析得到节点域的初始刚度K_0和极限弯矩M_u的计算公式;其次,根据节点试验结果,确定了分段系数β=0.87,衰减系数α=0.63;最终,建立了门式刚架端板竖放连接的节点域M-θ模型。同时,根据试验结果,拟合出弹塑性阶段卸载刚度Ku的计算公式,并给出滞回规则,建立节点域的弯矩-转角滞回模型。本文的研究可为门式刚架抗震性能简化分析奠定理论基础。     

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。     

基于累积荷载效应分析刚架结构极限承载力

传统极限承载力分析的塑性铰法(PHM)及其修正格式(mPHM)没有考虑加载历史累积荷载效应对刚架失效的影响,不能正确处理内力反向问题,由此导致刚架结构极限承载力和失效模式分析结果出现错误。为此,首先研究了前序失效阶段累积荷载效应的影响,据此分析结构迭代计算中相邻迭代步出现内力反向时PHM和mPHM发生错误的原因;然后通过合理修改构件截面强度,以反映结构强度损伤演化规律,据此计算刚架结构极限承载力,并识别结构潜在失效模式,提出了刚架结构的失效判据,建立了刚架结构分析的改进塑性铰法(iPHM);最后,进一步通过iPHM与PHM、mPHM、弹塑性增量加载法对比分析,验证了iPHM的适用性、计算精度和效率。     

集中载荷作用下梯度复合材料梁的小波-微分求积法分析

将梯度复合材料梁作为平面应力问题处理,采用小波和微分求积混合法,对集中荷载作用下结构的响应进行了分析.考虑材料特性参数沿高度方向呈梯度分布,在该方向上采用广义微分求积法进行离散;鉴于广义微分求积法求解集中荷载问题精度不高的缺点,在梁的长度方向上引入对突变信号敏感的小波插值函数.数值计算表明,小波-微分求积混合法不仅保留了广义微分求积法高效的优点,而且能够很好地模拟结构局部化特征.     

焊接管结构的非线性推覆简化模型

有限元分析方法中,采用三维实体单元对焊接管结构进行离散是最为精确的建模方法,但对三维实体模型分析时会划分大量单元,导致计算时间冗长。工程中常把焊接管结构简化为刚架模型,即刚性连接的杆系系统。这种建模方式忽略了节点的局部柔度,过高地估计了整体结构的刚度,使计算结果偏于危险。为解决上述问题,在节点处引入虚拟梁单元,使其等效模拟节点的局部变形,还原支管真实长度。为了验证节点柔度对焊接管结构的影响,对典型的焊接管结构缩尺,进行了推覆试验。分别采用壳单元模型、刚架模型及引入虚拟梁单元的简化模型进行有限元模拟,并与试验结果对比分析。结果表明,刚架模型会过高的估计焊接管结构的刚度,而简化模型计算结果与壳模型、试验结果较为吻合。     

三角形截面梁柱构件的三维等效弹簧计算模型

传统有限元在分析梁柱构件时一般采用常应变单元和双线性单元,但此类单元在梁柱构件受弯分析中计算精度不是很高.本文根据梁柱构件的力学性能,在三维连续介质体受到轴向变形和弯曲变形的状态下,利用其轴向变形和弯曲挠度相同,得到具有相同宽度和高度且刚度等效的超静定桁架力学模型.然后,通过桁架杆的截面参数求得弹簧的刚度系数,从而得等效弹簧元模型.本文提出的等效弹簧模型计算方法简单,便于扩展到更为复杂的构件分析中.     

Differential-algebraic approach to large deformation analysis of frame structures subjected to dynamic loads

A nonlinear mathematical model for the analysis of large deformation of frame structures with discontinuity conditions and initial displacements, subject to dynamic loads is formulated with arc-coordinates. The differential quadrature element method （DQEM） is then applied to discretize the nonlinear mathematical model in the spatial domain, An effective method is presented to deal with discontinuity conditions of multivariables in the application of DQEM. A set of DQEM discretization equations are obtained, which are a set of nonlinear differential-algebraic equations with singularity in the time domain. This paper also presents a method to solve nonlinear differential-algebra equations. As application, static and dynamical analyses of large deformation of frames and combined frame structures, subjected to concentrated and distributed forces, are presented. The obtained results are compared with those in the literatures. Numerical results show that the proposed method is general, and effective in dealing with disconti- nuity conditions of multi-variables and solving differential-algebraic equations. It requires only a small number of nodes and has low computation complexity with high precision and a good convergence property.     

Differential quadrature element method for static analysis of Reissner–Mindlin polar plates

In this paper, a new numerical technique, the differential quadrature element method (DQEM) , has been developed for static analysis of the two-dimensional polar Reissner–Mindlin plate in the polar coordinate system by integrating the domain decomposition method (DDM) with the differential quadrature method (DQM) . The detailed formulations for the sectorial DQEM plate bending element and the compatibility conditions between each element are presented. The convergence properties and the accuracy of the DQEM for bending of thick polar plates are investigated through a number of numerical computations. Consequently, the DQEM has been successfully applied to analyze several annular sector plates with discontinuous loading and boundary conditions and cutouts to illustrate the simplicity and flexibility of this method for solving Reissner–Mindlin plates in polar coordinate system which are not solvable directly using the differential quadrature method. The numerical results are verified by the existing exact solutions or the FEM solutions obtained using the software package ANSYS (Version 5.3) .     

Free vibration analysis of axially functionally graded tapered Timoshenko beams using differential transformation element method and differential quadrature element method of lowest-order

The present paper investigates the free vibration characteristics of Timoshenko beams whose cross-sectional profile and material properties vary along the beam axis with any arbitrary functions. Free vibration analysis of these beams is carried out through solving the governing differential equations of motion. Since the application of differential transformation method (DTM) does not necessarily converge to satisfactory results, an element-based differential transformation method, namely differential transformation element method (DTEM), is introduced which significantly enhances the accuracy of the results. Furthermore, differential quadrature element of the lowest order (DQEL) is introduced which is based on differential quadrature element method (DQEM). DQEL formulates the problem on the basis of the interpolation of the first differential of the functions; therefore, in contrast with DQEM higher differentials of functions are not employed in DQEL. The competency of DQEL and DTEM in free vibration analysis is verified through several numerical examples. The effects of taper ratio and material non-homogeneity on natural frequencies are investigated.     

部分共同作用框架组合梁有限元分析模型

本文提出了一种新的适用框架整体分析的组合梁有限元模型。在分析了相互作用程度对组合梁刚度影响的基础上,根据Newmark等人的一维部分相互作用理论,建立起部分共同作用组合梁平衡微分方程;结合框架组合梁受力特点引入合理的边界条件,推导出了能够考虑滑移的组合梁单元弹性刚度方程;还给出了常见非节点荷载的等效荷载公式。该组合梁单元节点自由度少,每个构件只需一个单元来模拟,方便了带组合梁钢框架的结构分析。本文的研究还为进一步地考虑混凝土开裂、压碎,钢材屈服等非线性因素,建立组合梁单元弹塑性刚度矩阵提供了理论基础。     

Timoshenko-Euler楔形梁有限元

本文首先建立楔形梁包含轴力和剪切变形效应的平衡微分方程，由于该方法是二阶变系数微分方程，其争析解很难得到，本文通过将该方程中的变系数和方程的解用Chebyshev多项式逼近得到了Timoshenko-Euler楔形梁的单元刚度方程，最后通过算例检验了所得单元刚度方程的对称性，以及验证了计算悬臂梁挠度和悬臂柱弹性临界力的正确性及其收敛性，本文提出的方法可适用于任意变截面Timoshenko-Euler梁单元刚度方程的求解，运用此方法，除可以考虑轴力和剪切变形的影响外，还可以减少结构分析中的单元数和自由度，提高包含楔形构件的结构分析的精度和速度。     

求解几何非线性桩-土耦合系统的微分求积单元法

将桩-土系统看成在土层中嵌入了一根等圆截面桩的空间轴对称弹性体,在几何非线性的条件下建立了具有间断性条件的桩-土系统的非线性控制方程,并运用微分求积方法(DQEM)来求解了该问题.提出了利用DQEM求解非线性空间轴对称问题中处理单元之间连接条件(包括间断性条件)及边界条件的离散化方法,最终得到了一组离散化的非线性DQEM代数方程,运用Newton-Raphson迭代方法求解非线性代数方程组可以得到每个节点处的位移,进一步可以得到系统的应力和应变.给出了两个数值算例,并与有限元解进行了比较,它们是非常吻合的.将看到,由于在采用DQEM求解时只布置了较少的节点,因此,该文方法具有较小的计算工作量、较高的精度、良好的收敛性以及应用广泛等优点.该文提出的处理连接条件的方法是一个一般的方法,由于它在数学上遵循了求解边值问题的思路,因此,数学上也是严谨的.     

考虑尺度效应的微梁静态弯曲数值分析

基于修正偶应力理论及表面弹性理论,本文提出了一种新的双曲线剪切变形梁模型,用于均匀微尺度梁的静态弯曲分析。该理论可以直接利用本构关系获得横向剪切应力,满足梁顶部和底部的无应力边界条件,避免了引入剪切修正因子。根据广义Young-Laplace方程建立了梁的内部与表面层的应力连续性条件,单一的变量场可以描述梁的位移模式。通过在位移场中考虑表面层厚度以及表面层的应力连续条件,可以使新模型能够更准确地预测微尺寸和表面能相关的尺度效应。通过Hamilton原理推导出了梁的控制方程和边界条件。应变能除了考虑经典弹性理论,还要考虑微结构效应和表面能。Navier-type的解析解适用于简支边界条件,而基于拉格朗日插值的微分求积法(DQEM)可以研究在不同边界条件下的力学响应。把该数值解与Navier方法得出的解析解作了对比,得出:微尺度梁在考虑表面能或微尺寸效应、不同载荷和梁高变化下的响应一致;当不考虑微结构相关性和表面能效应时,该模型退化为经典的欧拉梁模型。     

丝束轴向变角度复合材料梁的弹性分析

丝束变角度复合材料具有变刚度的特点,因此其结构分析具有相当难度．本文采用状态空间法和微分求积法联合的半解析数值方法对丝束轴向变角度复合材料梁的弯曲问题进行研究．假设纤维方向角沿梁的轴向按照任意连续函数变化,选取位移和位移的一阶导数作为状态变量,建立了丝束轴向变角度复合材料梁弹性分析的状态空间方程,将状态变量对轴向坐标的导数采用微分求积法进行求解,进而可得问题的半解析数值解．通过与现有文献及ABAQUS计算结果的比较,验证了本文方法的正确性,并对微分求积法求解本问题的收敛性进行了分析．通过数值算例研究了纤维方向角沿梁轴向的变化对丝束轴向变角度复合材料梁的位移及应力分布的影响,研究结果可为该种结构的设计提供一定的参考．