基于多弹簧模型的空间梁柱单元(I):理论模型

引入多轴应力状态下的塑性应力-应变关系理论,在单元模型中考虑了弹塑性区域剪切变形对单元的弹塑性刚度影响,推导了考虑剪切变形弹塑性刚度影响的多弹簧模型的空间梁柱单元刚度矩阵,为整体钢框架结构的弹塑性动力分析奠定了单元基础。     

基于多弹簧模型的空间梁柱单元(Ⅱ):参数分析

为模拟地震作用时杆件在变动轴力和双向弯曲的耦合特点,基于简化纤维模型的多弹簧单元模型近年被广泛应用.本文作者在相关论文中提出了考虑剪切变形弹塑性刚度影响的多弹簧模型空间梁柱单元,杆件的计算模拟精度除了取决于单元模型之外,还决定于两个重要参数:弹簧位置及个数布置、塑性区长度,本文将针对其进行参数分析并提出合理建议取值.本文最后还提出了模拟杆件残余应力的合理弹簧布置方式.     

基于多弹簧模型的空间梁柱单元(II):参数分析

为模拟地震作用时杆件在变动轴力和双向弯曲的耦合特点,基于简化纤维模型的多弹簧单元模型近年被广泛应用。本文作者在相关论文中提出了考虑剪切变形弹塑性刚度影响的多弹簧模型空间梁柱单元,杆件的计算模拟精度除了取决于单元模型之外,还决定于两个重要参数:弹簧位置及个数布置、塑性区长度,本文将针对其进行参数分析并提出合理建议取值。本文最后还提出了模拟杆件残余应力的合理弹簧布置方式。     

基于对数应力率大应变本构关系的参数标定研究

在所有率型弹塑性本构模型中,只有对数应力率对应的本构模型能够满足自适应准则.基于对数应力率,采用实心圆轴扭转实验,对大应变弹塑性本构模型中的参数标定问题进行了讨论.推导出了考虑Swift效应时端部自由实心圆轴扭转变形的变形率、对数旋率、Kirchhoff应力及Kirchhoff应力的对数应力率.对于等向强化大应变弹塑性本构关系,给出了由实心圆轴扭转实验标定的、基于Kirchhhoff应力对数应力率的本构关系中塑性刚度函数的表达式.分析了扭转圆轴的Swift效应对塑性刚度函数的影响.结果表明,实心圆轴扭转的轴向伸长变形和径向变形对基于对数应力率大应变本构关系中的塑性刚度函数都有影响.当不考虑Swift效应时,所得塑性刚度函数表达式与不考虑Swift效应时基于Jaumann应力率的塑性刚度函数表达式相同.     

钢-混凝土组合箱梁梁段有限元法研究

组合梁界面滑移将减小组合梁刚度,增大变形,影响构件性能;剪应力沿截面横向分布不均匀,造成其弯曲正应力的横向分布呈曲线形状,即剪力滞效应;同时组合梁往往重载,具有较小的跨高比,剪切变形不可忽略.根据虚功原理,建立了同时考虑滑移效应、剪力滞及剪切变形效应的组合梁单元刚度矩阵及等效节点力向量,并在此基础上编制了组合梁梁段有限元程序.利用本文程序对现有组合梁试件的混凝土顶板应力、钢梁底板应力、跨中挠度和梁端滑移进行了计算,并将本文计算结果与解析法计算结果及试验结果进行了比较.结果表明,本文计算结果与解析法计算结果及试验结果吻合良好;同时,本文计算结果具有较好的稳定性,验证了本文计算方法的正确性.本文所建立的梁单元刚度矩阵同时考虑了剪切变形、剪力滞及滑移效应的影响,符合工程实际,为有限梁段法分析组合箱梁提供了理论基础.     

单搭拉剪胶焊接头的应力和刚度分析

胶焊复合连接技术兼具胶接和点焊的优点,它因提高结构强度和刚度而使车辆轻量化成为可能.以胶接理论为基础,考虑了被粘体剪切应变,将焊点视为大剪切弹性模量胶粘剂,胶层和焊点沿其厚度方向的剪应力不变,建立了胶焊单搭拉剪接头的线弹性应力解析模型.在应力模型基础上,将接头各组成部分看作是独立承载的拉伸和剪切弹簧单元,得到了其刚度解析模型.应力模型中的正应力和剪应力与有限元解吻合得较好,证明理论模型正确,参数研究中确定了影响胶焊单搭接头应力分布特征的关键耦合参数.     

钢筋混凝土桥墩弯剪数值分析模型

基于修正的压力场理论MCFT(The Modified Compression Field Theory)和纤维单元模型建立了钢筋混凝土桥墩的弯剪数值分析模型,以MCFT理论确定桥墩的剪切力-剪切位移关系,并与考虑桥墩弯曲变形的纤维单元模型组合,共同考虑桥墩的弯-剪-轴力耦合作用.通过与六个弯剪破坏控制的圆形截面钢筋混凝土桥墩拟静力试验结果的对比,对分析模型进行了验证.主要认识结论为基于MCFT理论可准确地计算弯剪破坏桥墩的屈服荷载、极限荷载和弹性阶段剪切刚度,剪切开裂是引起钢筋混凝土构件剪切力-剪切位移关系刚度突变的主要因素,而弯曲开裂与纵筋屈服对刚度的影响较小;分析模型对弯剪破坏桥墩的滞回曲线、弯曲与剪切变形成分均进行了较为准确的模拟分析.     

考虑桥面板空间组合作用的组合空腹夹层板桥刚度研究

针对组合空腹夹层板桥的刚度计算,基于实体单元模型的参数化分析结果,提出了采用刚度放大系数来修正杆系模型结果的实用方法.推导了考虑剪切变形的简支钢空腹梁的等代抗弯刚度,并乘以刚度放大系数来分析混凝土板对结构的影响;与已有试验进行对比,验证壳-实体有限元建模方法的正确性,进一步分析了混凝土板和钢空腹梁截面参数对刚度放大系数...     

钢筋混凝土剪力墙单元非线性分析模型及其应用

本文简要评述了几种常见的钢筋混凝土剪力墙非线性宏观单元模型后，着重对多垂直杆剪力墙非线性单元模型的几个重要问题如剪力变形的考虑方法，单元刚度矩阵的形式，垂直拉压杆及剪切弹簧的恢复力模型等进行了探讨与改进，最后给出了一个算例，并与试验结果比较，表明非线性宏观墙单元模型具有较好的计算精度。     

全长锚固锚杆锚固单元力学性能实验研究

锚固单元的传力特性是影响全长锚固锚杆支护能力的重要因素。由于锚固单元界面构成复杂，本文主要考虑锚杆与粘结材料及其界面的力学特性，开展锚固单元界面剪切力学实验研究。实验结果表明，砂浆强度直接影响界面的峰值强度和剪切刚度；采用相同强度砂浆，界面的峰值强度、剪切刚度和残余剪切强度都与法向应力成正比；在相同法向应力作用下，剪切速率增加引起峰值剪切强度增大，但对残余剪切强度影响较小。依据实验剪切应力–位移曲线将锚固单元与岩石间界面的解耦过程分为“峰前–软化–滑移”三阶段，非连续变形分析方法数值模拟结果表明，加载初期的损伤主要受粘结材料抗拉强度的影响，临近峰值阶段与粘结材料张剪混合破裂相关；软化阶段和滑移阶段主要受粘结材料剪切特性和颗粒形状的影响；引入实验所获得的三线滑移模型曲线到全长锚固锚杆模型，模拟拔出数值实验结果表明较快拔出速率将影响锚杆变形能力。     

中厚板—薄板弹塑性有限元分析

1.引言不少文献研究了薄板的弹塑性有限元分析。文献[1]的第9章以位移等参元为基础讨论了中厚板一薄板的弹塑性分析,这方面目前见到的数值结果不多。本文以通过“单体检验”的“自由公式”为基础导出一种考虑剪切变形的任意四边形弹塑性板弯曲单元体,材料性质采用Von Misses屈服准则。利用板的平衡方程,几何方程和物理关系导出横向剪切变形与板厚的平方的量级成正比,随着板厚减小,剪切变形趋於零,Kirchhoff假设自动满足,所以这种单元体能通用於中厚板以及薄板的弹塑性分析。用增量     

分形表面接触变形对部分膜润滑的影响

在M-B分形接触模型的基础上,利用引入接触因子的平均流动模型,分别计算在考虑和不考虑分形表面接触峰变形情况下的流量因子和接触因子,研究分形表面接触变形对润滑状态的影响.结果表明:接触变形使得各因子减小,其中对剪切流量因子的影响最大,对压力流量因子和接触因子的影响相对较小,尺度系数越大,接触变形对剪切流量因子最大值的影响越大,剪切流量因子变化越缓慢,弹塑性变形的转化范围越宽;对于一定的名义膜厚,随着分形维数增加,接触弹塑性的转变会使变形对各因子的影响先增后减;对于相同的尺度系数,接触变形对流量因子的影响在相同的分形维数范围内达到最大值.     

考虑 P-⊿效应的单杆件弹塑性刚度矩阵

本文推导了考虑 P-Δ效应的带刚臂单杆件弹塑性刚度矩阵。在推导过程中,考虑了轴向变形、弯曲变形和剪切变形。可用于杆系结构的静力分忻、动态分析和弹塑性稳定计算。按照本文的推导结果,巳编成高层建筑弹塑性动态分析程序并在高层建筑工程中运用。本文的成果把 K.I.Majid和 M.F.Giberson 的工作推进了一步。高层建筑和大跨度结构的弹塑性动态分析是当前工程抗震方面的一个重要研究课题。本文的工作是应这一需要而展开的。     

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。     

用晶体弹塑性有限单元法研究双晶金属拉伸变形

本文从单晶体应力-应变关系的精确实验结果和多晶体滑移特性出发,建立相应的计算模型,并采用微观力学和晶体弹塑性有限单元法,研究双晶金属试样的拉伸变形,得到其应力-应变曲线,晶体内滑移变形和应力分布规律,以及晶界影响区对它们的影响。     

钢筋混凝土盾构衬砌结构的三维数值分析

结合地铁盾构隧道工程实例,应用三维有限元模型和ANSYS程序分析了上部和周围土体荷载作用下钢筋混凝土衬砌的应力、应变分布与开裂规律。模型考虑了衬砌与周围土体的共同作用、土体和钢筋混凝土材料的弹塑性性质,通过刚度折减考虑了管片接头不连续性对衬砌应力、应变与开裂性质的影响。     

考虑剪切变形的半刚性连接钢框架P-Δ效应研究

在综合考虑剪切变形和梁柱节点连接半刚性影响的基础上,给出了框架柱的抗侧移刚度公式。当不考虑剪切变形时对本文给出的公式进行简化可得到相关文献中的公式,但本文给出公式的应用范围更广。数值算例表明:剪切变形对框架结构的P-Δ效应影响显著,与不考虑剪切变形相比,考虑剪切变形的影响所计算的层间侧移的差值已超出工程上可接受的5%的误差范围;剪切变形降低了结构的抗侧移刚度,增大了层间侧移值,应引起高度的重视。本文所编制的计算表格不仅可供工程设计人员用于前期方案阶段的估算,而且可作为对平、立面均规则的钢框架结构电算结果的校核程序使用。     

弹塑性多孔介质流固耦合新理论:混合耦合理论

在全球气候变化和双碳政策的大背景下,多孔介质中固体的变形和流体的输运问题变得尤为重要。然而,在多孔介质中建立流固耦合模型仍面临的挑战之一是需要考虑跨越宏观尺度到纳米尺度的耦合作用。本文利用基于非平衡热力学的混合耦合理论,提出了一个弹塑性多孔介质流固耦合新模型,在同一个理论框架内研究了弹性变形、塑性变形和液体渗流之间跨尺度的耦合,考虑了耗散过程中的熵产,并利用Helmholtz自由能来连接宏观尺度上的力学变形和纳米尺度上的液体输运之间的相互作用。在应力-应变关系中采用了弹塑性刚度系数以反映塑性的影响。同时,经典的达西定律扩展为考虑固体的塑性变形。通过与文献中模型的比较,验证了该模型的有效性。最后,数值分析表明在多孔介质的流固耦合中塑性变形具有比较显著的影响。     

多亚层柔性节点模型及其在双材料4ENF试件界面分析中的应用

提出了多亚层柔性节点模型用于分析双材料裂纹尖端的应力和变形。该模型考虑了胶层的变形,各亚层视为独立的剪切变形梁,采用两个界面柔度系数考虑界面应力对各亚层界面变形的影响,界面变形包括双材料界面和胶层的变形。通过对FRP-混凝土末端切口四点弯试件(Four-point bending end-notched flexure specimen,简称4ENF)进行界面分析,并与其他模型和有限元分析对比表明:刚性节点模型忽略了裂纹尖端的应力和变形集中,只能粗略地估计构件的整体变形和界面应力;半刚性节点容许裂纹尖端的转动,对裂纹尖端的变形估计优于刚性节点模型,但精度依然不高;多亚层柔性节点模型反映了裂纹尖端的应力和变形集中,与数值分析结果吻合很好,该研究对进行双材料结构的工程设计具有理论指导和参考价值。     

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。