等直杆单元切线刚度矩阵的精确分析方法

为了有效完成大型铰接单层网壳结构的后屈曲分析,本文采用对杆单元杆端力函数求导的方法推导出了等直杆单元切线刚度矩阵的精确形式。该切线刚度矩阵不受结构小变形限制,适用于结构产生任意大结点位移情况。以六角星桁架、平面圆拱桁架和大跨K8单层网壳结构为算例,采用广义位移控制法进行非线性后屈曲分析,其中预测子采用本文杆单元切线刚度矩阵。算例分析结果表明,本文杆单元切线刚度矩阵在大型铰接单层网壳结构的非线性后屈曲分析中有很强的预测能力。     

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。     

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。     

广义增量法在三维扁平桁架结构的弹塑性屈曲分析中的应用

本文利用广义逆矩阵,提出了解决非线性屈曲问题的广义增量法。并用该法分析了非线性荷载-位移关系曲线(其中包括极值点)。最后,给出一数值算例—三维扁平桁架结构的弹塑性屈曲分析,证明了本文方法的正确性和实用性。     

弹塑性板壳结构非线性有限元分析

本文根据塑性流动理论的基本公式，由隐式积分导出了与路径无关的变量更新算法和一致切线模量。采用单元广义应力应变直接离散塑性流动定律，构造了杂交应力单元一致切线刚度矩阵的显式表达式，编制了结构有限元程序ＳＡＦＥ，数值算例表明：本文的计算方法和计算程序是正确可靠的，可用于弹塑性板壳结构的非线性分析，计算结果屈曲临界载荷和极限承载能力。     

基于初弯曲单元的某弦支穹顶非线性稳定承载力分析

在单元的随动坐标系下,建立了初始弯曲对杆单元轴向刚度影响的计算公式,导出了考虑初始弯曲的非线性杆单元刚度矩阵;从经典的梁-柱理论出发,给出了考虑初始弯曲的非线性空间梁单元切线刚度矩阵推导过程。将建立的初始弯曲单元应用于弦支穹顶结构算例的非线性稳定承载力分析,研究了杆件初始弯曲对结构整体非线性稳定性能的影响,结果表明,杆件初始弯曲的存在会降低结构的整体刚度和极限承载力,而在不同的初始预应力状态下,极限荷载随初始弯曲增加都基本呈线性下降,并且其关系曲线基本平行。本文建立的基于初弯曲单元的非线性分析方法,可推广应用于各种类型空间网格结构的非线性分析,为结构设计方案的选择提供更为科学的依据。     

折叠结构几何非线性分析

本文提出了一种推导折叠结构宏单元刚度矩阵的新方法,即在所假设普通单元位移模式的基础上直接引入位移约束条件,得到宏单元的形函数矩阵,进而给出宏单元的力与位移间关系。利用该思路,文中简捷地推导出剪式单元三节点梁大位移小变形的几何非线性切线刚度矩阵,并给出了线性刚度矩阵的显式。算例表明,分析折叠结构承载能力和自稳定结构的展开或收纳过程,考虑几何非线性的影响是必要的。     

基于能量优化的桁架几何非线性问题力密度法

力密度法最初是求解膜结构找形问题的方法,经发展可用于计算桁架结构的几何非线性问题。本文应用力密度法建立结构变形后的非线性平衡方程及相应的雅可比矩阵,用于迭代求解;从能量原理出发,推导出杆单元应变能、外荷载势能、结构总势能在每次迭代位移方向上关于步长λ的显式列式。相对于固定步长的牛顿法,本文将最优迭代步长λ引入求解,使结构在每次迭代位移方向上均达到总势能最小。经桁架算例验证,表明该方法可加快计算收敛进程。     

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。     

谱元法研究桁架结构的振动带隙特性

采用谱元法研究了桁架周期结构的带隙特性.从杆和梁的运动方程出发,推导出与频率相关的插值函数,得到了杆单元和梁单元的动力学刚度矩阵.在频域下将铰结构考虑为一个谱单元,并推导出铰单元的动力学刚度矩阵.将杆/梁单元和铰单元加以整合得到整体结构的动力学刚度阵,进而建立整体结构的运动方程.通过求解整体结构的动力学方程,获得结构的频域响应,进而研究结构的带隙特性.本文将谱元法求解得到的固有频率结果与有限元法进行了对比,分析了单胞数量和材料的变化对结构带隙特性的影响,拓展了谱元法的应用领域.     

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．     

含多个分层复合材料层合板后屈曲性态研究

基于Mindlin假定下的大变形板／壳理论，采用参考面单元和虚拟杆单元相结合的非线性有限元方法，建立了分析含多个穿透分层损伤层合板后屈曲行为的有限元计算模型，并给出了考虑接触后非线性屈曲方程的迭代算法，从而研究考虑层间接触效应的多分层层合板的后屈曲性态。文中着重讨论了分层的深度、数目和尺寸对含多分层合板后屈曲性态的影响。大量数值分析结果证明了该模型的有效性，并且得到了一些对层合板结构设计和对含分层损伤层合板评估有益的结论。     

具脱层的正交铺设圆柱壳的初始后屈曲分析

基于非线性弹性理论,建立了含脱层正交铺设圆柱壳的后屈曲控制方程,应用Koiter初始后屈曲理论和小参数摄动法,导出了系统的一阶和二阶摄动控制方程,以及相应的边界条件、位移连续条件和力平衡条件,然后逐阶求解．算例中,讨论了不同脱层深度和长度对脱层复合材料圆柱壳屈曲和初始后屈曲特性的影响,并与已有文献进行了比较．     

杆系结构的几何非线性分析：Ⅰ.平面问题

本文以三维连续体的虚功增量方程为基础，采用平动、转角位移分别插值的方法，导出了梁结构大位移、大转动问题内力分析的ＵＬ法。本文考虑了轴向、剪切和弯曲效应，提出了新的几何刚度矩阵。算例表明，依本文方法编制的程序具有分析结果强几何非线性行为的有能力；在满足本文位移假定的条伯下，可以描述任意大角度的刚体转动。     

基于欧拉描述的两节点索单元非线性有限元法

本文针对柔性悬索结构几何非线性分析的特点,提出了一种用欧拉描述来表示的两节点索单元非线性有限元模型,在索元变形后的位置上由虚功能建立了非线有限元基本方程及切线刚度矩阵。这样建立的非线性有限元分析方法可充分考虑拉索的几何非线性特性的影响并给悬索结构的初始平衡分析带来方便,算例结果表明,本文方法是精确有效的。     

梯形底扁壳的线性和非线性分析

本文将Navier提出的四边简支矩形板线性弯曲的双三角级数解法推广到梯形底扁壳。采用Margueree的理论对其进行了线性和非线性弹性平衡问题的研究。文中通过引进新的未知函数成功地将原方程降阶,并找到了荷载位移空间R~n+1中跟踪解曲线的简洁有效的约束方程,从而避免了求解由Navier法导出的非线性代数方程组在壳体平衡路径中极值点附近切线刚度矩阵的奇异性,算例表明本法计算量少,级数收敛快,所用方法可靠。     

钢框架高等分析中考虑局部屈曲的子结构法

将相对自由度概念引入三维实体等参数单元,得到了16结点相对自由度壳元的插值表达式,并基于更新拉格朗日构型的虚位移原理推导了该壳单元的刚度矩阵。在单元刚度矩阵形成以后采用子结构法对内部结点自由度进行聚缩,根据薄壁构件相关假定并考虑截面翘曲因素的影响,通过边界结点的位移协调条件把壳单元组装成每端7个自由度的薄壁梁-柱单元参与整体分析,可以考虑板件局部屈曲的影响;突破了传统分析的紧凑型截面限制,并通过算例证明了本文方法的精确度和有效性。     

杆系结构的几何非线性分析──Ⅰ．平面问题

本文以三维连续体的虚功增量方程为基础，采用平动、转角位移分别插值的方法，导出了梁结构大位移、大转动问题内力分析的ＵＬ法。本文考虑了轴向、剪切和弯曲效应，提出了新的几何刚度矩阵。算例表明，依本文方法编制的程序具有分析结构强几何非线性行为的能力；在满足本文位移假定（即每次加载增量中转角增量是小量）的条件下，可以描述任意大角度的刚体转动。     

张力结构的非线性有限元分析

张力结构中的索结构分析通常采用非线性二节点直线或二次曲线单元，但是在大跨度结构，尤其是索弯顶结构的分析中，常用的单元已不能满足精度的要求，本文提出了考虑自重作用下有初始垂度的五结点非线性空间曲线元模型，放弃了一些特殊的假定，考虑了应变表达式中高阶量的影响，推导出了适合于弹性大位移几何非线性分析的Ｌａｇｒａｎｇｄ方程及其切线刚度矩阵，编制了相应的计算程序。     

钢管混凝土圆弧桁架拱平面内徐变稳定分析

核心混凝土的徐变会增加钢管混凝土拱肋的屈曲前变形,降低结构的稳定承载力,因此只有计入屈曲前变形的影响,才能准确得到钢管混凝土拱的徐变稳定承载力。基于圆弧形浅拱的非线性屈曲理论,采用虚功原理,建立了考虑徐变和剪切变形双重效应的管混凝土圆弧桁架拱的平面内非线性平衡方程,求得两铰和无铰桁架拱发生反对称分岔屈曲和对称跳跃屈曲的徐变稳定临界荷载。探讨了钢管混凝土桁架拱核心混凝土徐变随修正长细比、圆心角和加载龄期对该类结构弹性稳定承载力的影响,为钢管混凝土桁架拱长期设计提供理论依据。