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。     

多跨连续长索在支座处存在滑移的非线性静力分析

提出了一种考虑悬索结构在中支座存在滑移时的非线性计算方法，推导出关于索元无应力长度发生变化时的滑移刚度公式，并进行了实例计算。计算结果表明，本文的方法正确，计算精度满足实际工程要求，并能使计算工作且大大减少，可供悬索结构设计、施工时参考。     

悬链线索单元算法的改进

H．B．Jayaraman在20世纪80年代推导的悬链线索元有限元法计算精度高，特别适用于精度要求比较高的大型索结构。但是，当索原长Lu的取值与悬索两节点之间的直线长度相近时，迭代不易收敛，甚至发散。提出了当该迭代不收敛时，应采用的迭代策略。计算结果表明，该方法准确，计算精度高，可供悬索结构设计、施工时参考。     

悬索结构非线性分析的滑移索单元法

本文提出了一种悬索结构存在在滑移单元时的非线性计算方法,利用文献（１）提出的五节点曲线索单元有限元基本方程,建立了滑移单元非线性分析的计算理论、方法及公式,并进行了实例计算,结果表明,本文方法是行之有效的,可供悬索结构设计、施工时参考。     

悬索大挠度风振响应的有限体积法分析

基于Lagrange原理,建立了一套新的悬索大挠度动力特性和动力响应分析的有限体积法列式,推导了结点力向量、质量矩阵和单元刚度矩阵的显式表达式。该列式的一个显著特点是直接利用工程应变定义结构变形,其物理意义明确,列式简单,适用于各种垂度和荷载情况的悬索大挠度动力分析。实例动力特性和随机风振响应分析表明,该有限体积列式不仅计算效率高,而且具有良好的计算精度。     

滑轮在索上滑行分析的索-轮单元法

为了分析索结构中滑轮在悬索上行走及连续长索从滑轮下绕行问题,创建了一种新的单 元. 被称为索-滑轮单元的三节点新单元模拟一段索支承滑轮,滑轮的中心取为中间节点, 索的两端点为另外两节点. 基于有限元分析的基本原理,并利用处于平衡状态时单元内力之间的关系,推导了单元的算法. 这种新单元可以通过自动调整滑轮两侧索段的长度使单元处于平衡状态,从而简化了计算. 算例证明了新单元的算法及所编制程序的正确性,同时说明了它在工程中的应用. 给出了构成刚度阵的各矩阵的显式表达式. 新单元可以直接用于常规的有限元分析中,分析处于工作状态或施工中的索结构.     

力法在索-桁结构静力分析中的应用

索-梁(桁)结构是一种新型的空间杂交结构体系，它首先在中国获得工程应用和发展。通过下压平行布置在单层悬索上的实腹梁或桁架等横向加劲构件，强迫其产生向下位移后并固定其位置，以便在整个索与横向构件组成的体系之间建立起预应力，就形成具有足够刚度和形状稳定性的横向加劲单层索屋盖结构。本文根据力法原理，提出了一种新型迭代计算方法，采用Newtpm Raphson Method(N-R)方法计算索-桁结构体系的静力响应。算例计算结果表明：本文方法是可行的，计算精度满足工程需求。     

计算结构力学在桥梁结构施工设计与施工控制中的应用

随着大跨径桥梁结构在工程中应用日趋广泛,其施工控制问题也越来越受到工程界的重视。本文将计算结构力学方法引入桥梁结构的施工设计与控制,给出桥梁结构竣工后受力状态、施工各阶段理想状态的确定、施工控制方法及其程序系统的设计思想。     

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 H.B.Jayaraman在20世纪80年代推导的悬链线索元有限元 法计算精度高，特别适用于精度要求比较高的大型索结构. 但是， 当索原长Lu的取值与悬索两节点之间的直线长度相近时，迭 代不易收敛，甚至发散. 提出了当该迭代不收敛时，应采用的迭 代策略. 计算结果表明，该方法准确，计算精度高，可供悬索结 构设计、施工时参考.     

大型射电望远镜悬挂馈源舱-Stewart 平台系统耦合分析

针对大射电望远镜悬挂系统特殊的结构形式,采用分离舱索系统和Stewart平台,应用有限元和牛顿-欧拉方程混合方法,提出Stewart平台与悬索馈源舱系统的混合动力学耦合方程,在此基础上,应用最优控制理论,通过Ham ilton-Jacobi-Isaacs不等式,探讨了耦合方程的解耦问题,得出在一定条件下具有鲁棒性的Stewart平台所允许的最大质量。数值仿真验证了方法的有效性和合理性。     

基于拓扑与形状优化的小型化金属天线设计方法

天线小型化设计需要基于先进的设计方法,基于拓扑优化的设计往往存在灰度单元,因此设计结果无法直接应用,需要进一步规整设计。而对于电磁金属结构,粗糙的规整方法会引起结构性能的很大变化以致偏离最优结果。提出一种拓扑优化和形状优化相结合的方法,用于金属天线结构的小型化设计。该方法通过拓扑优化获得金属天线结构的概念构型,进而利用形状优化对概念构型进行边界规整和精细化设计。形状优化方法采用多控制点贝塞尔曲线描述拓扑概念构型,通过贝塞尔曲线控制点的移动实现天线构型的调控。给出了贝塞尔曲线控制点的设置原则,基于拓扑优化得到场量分布结果,利用较少的贝塞尔曲线控制点实现天线拓扑构型结构特征的有效调控。该方法可以获得无灰度单元残留的拓扑结果,同时可有效避免密度阈值规整方法中天线性能改变的问题,并且获得的拓扑构型边界光滑。数值算例表明拓扑优化和形状优化相结合方法的有效性。此外,该方法可拓展到其他类型电磁器件的优化设计中。     

悬索桥结构分析中的索-鞍座单元

为在悬索桥结构的有限元分析中真实、简洁、高效地模拟索鞍,本文建立了一类新的单元。新单元包括索段的一端固定在与其接触部分为单一半径圆弧的索鞍上,另一端分别位于索鞍两侧的两节点“左索-鞍座单元”和“右索-鞍座单元”,以及索段两端点分别位于索鞍两侧,中间一点固定于鞍座上的三节点“索-鞍座单元”,后者的鞍槽可为两不同半径圆弧的组合。根据要求的成桥状态几何参数确定结构的无应力状态时,可利用前二者进行悬索桥的单跨分析。新单元通过自动调整索与鞍座的脱离点而处于平衡状态,从而简化了计算。单元算法的推导基于有限元分析的基本原理和弹性悬链线的精确解,并利用了处于平衡状态时索与鞍座之间的内力关系。新单元可象常规单元一样直接用于成桥状态或施工过程中悬索桥结构的有限元分析。设计的算例验证了新单元的正确性,并举例说明了新单元在悬索桥结构分析中的应用。     

结构动态应力计算方法研究

复杂结构动态应力的准确计算是一个没有圆满解决的问题。本文以最小余能原理为基础，提出了计算结构动态应力的最小伤痛有法。该方法采用二次分析思想，首先采用常规有限元对结构进行适当离散，计算输出结构所需应力区域的有限元结点位移和加速度动力时程反应，再应用最小余能法计算所求部位的动态应力值。这种方法的优点是它可以与现有的有限元程序有机结合，方便使用；动应力在区域内的分布规律可以由计算者根据具体情况而确定，一般情况下，可以选用二次曲线来逼近动应力在区域内的实际分布，避免了常规有限元法计算结构动应力时必须对单元形函数求导的做法，从而提高了动应力计算精度。计算结果表明：本文方法计算结构动态应力结果较常规有限元法的计算结果有明显改进，特别是当结构变化剧烈时，改进效果更为明显。     

悬链线竖向集中力作用下的构形分析和张力计算

目前,悬链线在竖向集中力和均布荷载共同作用下的构形分析和受力计算的理论仍不完善。针对这一问题,通过引入悬链线的几何约束方程、力平衡方程和超越方程,建立了竖向集中力与均布荷载共同作用下的非线性方程组。采用牛顿迭代法求解方程组,得到了悬链线的构形和受力情况。为了验证理论计算的正确性,进行了算例和试验验证。结果表明,算例的计算结果与文献结论保持一致,试验测得的构形和水平张力大小与理论计算的构形和水平张力大小吻合较好。本文的理论计算可以更加简单精确地计算出悬链线在竖向集中力和均布荷载共同作用下的构形和受力情况,为实际工程提供重要的理论指导。     

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。     

A point assembly method for stress analysis for two-dimensional solids

A novel point assembly method (PAM) is presented for stress analysis for two-dimensional solids. In the present method, the boundaries of the problem domain are represented by a set of discrete points, and the domain itself is represented by properly scattered points. The displacement in the influence triangular areas of a point is interpolated by the displacements at the point and pairs of surrounding points using shape functions. The shape functions used in this work are obtained in the same way as those of a triangular element in the conventional finite element method (FEM). A variational (weak) form of the equilibrium equation is used to produce a set of system equations. These equations are assembled for all the points in the domain, and solved for the displacement field. Stresses and strains at a point are then computed using the displacements obtained for the point and pairs of the surrounding points. A PAM program with an automatic point-searching algorithm has been developed in fortran. Patch tests and convergence studies have been carried out to verify the convergence of the present method and program. Examples are also presented to demonstrate the efficiency and accuracy of the present method compared with analytical solutions as well as the conventional FEM solutions.     

轴向运动二维传输结构动力学有限元建模与仿真

基于物理中面概念和经典薄板理论，应用有限元法研究了机械工程中的二维传输结构作轴向运动时的面外自由振动特性．根据实际工程结构特点及设计要点，考虑受双向预张应力作用的传输薄板结构模型，由哈密顿原理出发严格导出了结构的有限元动力学方程，得到了体现轴向传输结构特性的陀螺矩阵．该矩阵具有反对称结构，这与加权余量法所得的陀螺矩阵结构不同．采用3 节点三角形单元离散求解域，且单元不受轴向运动影响，给出了单元密度对计算结果精度的影响．分析了传输结构预张应力和轴向速度与自由振动固有频率的关系；考察了不同结构的陀螺矩阵对数值结果的影响．将部分结果与ANSYS 软件模拟对比，显示出良好的一致性，证明了本文方法的有效性．研究结果可为典型传输带等结构的振动控制提供参考，建模方法可为ANSYS等计算软件添加轴向运动结构新模块提供理论依据．     

质量对结构优化理性准则法计算结果的影响研究

在结构优化中,质量作为设计资源能改善结构性能,但质量会引起自重与惯性载荷等问题,因而质量还会导致结构性能劣化。虚功准则方程组忽略了载荷对设计变量的导数,不能考虑质量导致结构性能劣化的一面。对于航空航天器、高速运行的车辆、机械和高精度天线等以自重和惯性载荷为主的工程结构,这种忽略导致虚功法得到的解与最优解相差甚远。导重法是严密推导的理性准则法,克服了虚功法准则不准的缺陷,优化效果较虚功法大幅提高。但对于考虑自重载荷的三杆、五杆桁架等简单结构优化问题,虚功法也可以得到与导重法相同的最优解计算结果,从拉格朗日条件出发解释该问题,给出考虑载荷对设计变量的导数时虚功法也可求得最优解的条件,这对于结构理性准则法及其工程应用的深入研究均具有重要理论与实践意义。     

Exact mesh shape design of large cable-network antenna reflectors with flexible ring truss supports

An exact-designed mesh shape with favorable surface accuracy is of practical significance to the performance of large cable-network antenna reflectors. In this study, a novel design approach that could guide the generation of exact spatial parabolic mesh configurations of such reflector was proposed. By incorporating the traditional force density method with the standard finite element method, this proposed approach had taken the deformation effects of flexible ring truss supports into consideration, and searched for the desired mesh shapes that can satisfy the requirement that all the free nodes are exactly located on the objective paraboloid. Compared with the conventional design method,a remarkable improvement of surface accuracy in the obtained mesh shapes had been demonstrated by numerical examples. The present work would provide a helpful technical reference for the mesh shape design of such cable-network antenna reflector in engineering practice.     

基于主动学习Kriging模型的可靠性分析

本文采用Kriging模型代替结构真实功能函数,引入主动学习函数,序列选择最佳样本点,在每次迭代中加入最佳样本点更新Kriging模型。与直接的蒙特卡洛方法相比,主动学习Kriging模型仅需要少量的结构分析就能够得到精度较高的可靠度结果,适用于实际工程具有隐式功能函数的结构可靠性分析。本文通过三个数学算例,从最佳样本点的分布情况、功能函数的拟合程度及可靠度计算结果出发对四种学习函数进行对比研究,最后对具有隐式功能函数的悬臂板进行可靠度分析。结果表明,主动学习函数的引入,合理选择了Kriging模型所需的样本,提高了计算效率,同时,学习函数的选择对结构可靠性分析结果也存在影响。