张拉结构非线性分析两节点曲线单元有限元法

提出适合张拉结构几何非线性分析的两节点曲线单元有限元方法．假定索元的初始形状呈二次抛物线,根据单索的平衡条件、几何和物理关系建立了索元的位移函数;由拉格朗日应变的定义建立了可以考虑任意次高阶位移影响的索元轴向应变的精确表达式,并基于拉格明日描述方法和虚功原理得到了索元的非线性平衡方程与切线刚度矩阵．采用荷载增量法与Newton－Raphson法相结合的混合法进行了实例计算,结果表明：本文方法的精度明显优于两节点直线索单元,适合于大跨度索阿、索穹顶等张拉结构的几何非线性分析．     

一般情况下小垂度索的刚度方程及其应用

索单元的刚度随变形而变化,索结构的力学分析是一个典型的几何非线性问题,因而在数值分析中单索的刚度方程显得尤为重要。由于许多文献不常见的单索刚度方程在推导时忽略了索单元元弦向倾的影响,用来进行结构计算尚存在一定的误差。本文因此考虑了影响单元刚度的弦倾角等因素,推导了一般情况下小垂度索的显式表达刚度方程,并运用该刚度方程进行结构数值分析,与采用近似刚度方程的分析结果进行了比较,给出了近似刚度方程与本文     

基于大变形分析的动不定体系的求解

动不定体系由于内部存在机构位移,其求解过程不同于动定体系。为了全面了解动不定体系的受力性能,本文对其相容及非相容平衡方程的求解进行了详细的分析和推导;同时,由于动不定体系求解过程涉及大位移,本文对通常建立在小变形假定下的变形协调方程进行了重新推导,采用建立在大变形基础上的变形协调方程对有限机构进行求解,并由此编制了相应的计算程序。算例分析表明本文计算方法是精确和有效的,可用于确定动不定体系的平衡状态和内力。     

柔性索网结构的非线性变形

根据柔索应变与位移的非线性几何关系以及自重作用和温度影响下的平衡方程,采用欧拉描述的坐标系精确地求得了各点的位移和张力的解析解。对柔性索网结构建立的非线性代数方程组应用改进的Powell混合算法编制的高精度DNEQNF程序直接进行求解,给出了平面索网变形分析的数值算例并与相关文献进行了比较。算例结果表明与其它方法相比,本文方法对求解柔索的非线性变形问题求解简单,便于应用。     

风场中长单索结构流固耦合效应的动力学分析

本文介绍了长单索结构的风致振动现象及传统单索动力计算方法,分析了进行流固耦合计算的必要性.详细阐述了流固耦合的基本理论和方法,并介绍了有限元软件ANSYS的流固耦合计算流程.根据两种工况下的流固耦合算例分析,给出了长单索结构跨中节点的位移、应力以及索表面风压等物理量的时程曲线,通过对不同工况以及不同流场模型的模拟和分析比较,探讨了基于流固耦合分析的长单索结构风致振动响应的特点,对长单索结构的风致振动分析和设计具有参考意义.     

同轴绞线柔索的应力解析

对同轴绞线柔索受力变形提出两个基本假设，即横截面保持平面和组成柔索的绞线为螺旋线其形状保持不变．据此建立了求解各层绞线所受的纵向力，以及各层之间挤压力的控制方程．导出应力的计算方法，揭示同轴绞线柔索张拉时的应力分布规律．     

单层平面索网幕墙结构的风振响应分析及实用抗风设计方法

单层平面索网玻璃幕墙结构是广泛应用于大型公共建筑中的一种新型结构形式,由于其具有柔性大、质量轻、阻尼小、自振频率低的特点,属风敏感结构。由于单索幕墙具有较高的几何非线性,本文采用基于随机振动理论的模态叠加频域方法进行了单索幕墙结构的风振响应分析。将模态叠加频域方法的计算结果和非线性时程分析方法的精确计算结果进行了比较,证明了该方法的准确性。并且本文通过分析各阶模态对单索幕墙结构风振响应的贡献,得到脉动风荷载下结构的振动以第一阶模态为主的结论。根据该结论本文采用频域方法推导了单索幕墙结构的位移均方差和索内力均方差的实用计算公式,同时考虑单索幕墙的结构特点提出了基于结构响应的单索幕墙结构实用抗风设计方法。     

索牵引并联机器人静态平衡位置的正解研究

研究了一种大跨度但运动缓慢的索牵引并联机器人的位置正解问题,此时可认为系统处于静平衡状态,但必须考虑柔索垂度的影响。索牵引并联机器人的静态平衡位置的正解就是确定机器人末端执行器的位置和姿态,使得系统能在给定的柔索长度下处于静平衡状态。这涉及到系统的非线性力学分析而不仅仅是一个几何问题。本文采用悬链线方程描述柔索的力学特性,结合索端位移与机器人末端执行器位移之间的关系推导出机器人的末端执行器位移与索长变化之间的增量关系,据此提出一种迭代策略完成正解计算。数值算例验证了本文方法的有效性。     

用柔爆索构成沿圆柱壳体周向呈余弦分布的冲量载荷

利用柔爆索爆炸加载模拟脉冲X射线辐照产生的汽化反冲冲量进行结构响应实验研究,需要对柔爆索载荷的分布特征进行直接的实验测定。按照优化设计结果在圆柱壳体周围排布一定数量的柔爆索,测量柔爆索爆炸在圆柱壳体表面不同角度处产生的冲量。测量结果表明通过优化设计柔爆索间距及柔爆索与圆柱壳体之间的距离可得到沿圆柱壳体周向呈余弦分布的冲量载荷。     

单层平面索网幕墙结构的几何非线性问题研究

单层平面索网支承式玻璃幕墙结构是近年来在国内外应用较为广泛的一种新型幕墙结构形式,由于单层平面索网不具有负高斯曲面形式,结构在平面外方向的刚度偏柔,表现出较明显的几何非线性特征.本文采用连续化方法建立了单层平面索网结构考虑几何非线性影响的静力平衡方程和振动方程,得到了结构刚度的解析表达式,并采用谐波平衡法求得非线性频率的简化解析表达式,以此为基础研究了单层平面索网结构的静力非线性和动力非线性问题.研究结果表明:结构的非线性和结构的初始位置密切相关;结构的非线性频率主要取决于索的初始应变、结构振动幅值与跨度的比值,几何非线性对于结构动力性能的影响要小于对结构静力性能的影响;本文得到的结构在地震荷载和平均风荷载作用下的非线性振动方程和非线性频率为结构在地震荷载和脉动风荷载作用下动力响应的求解奠定了基础.     

STATIC ANALYSIS OF CABLE STRUCTURE

Based on the nonlinear geometric relation between strain and displacement for flexible cable, the equilibrium equation under self-weight and influence of temperature was established and an analytical solution of displacement and tension distribution defined in Eulerian coordinate system was accurately obtained. The nonlinear algebraic equations caused by cable structure were solved directly using the modified Powell hybrid algorithm with high precision routine DNEQNE of Fortran. For example, a cable structure consisting of three cables jointly supported by a vertical spring and all the other ends fixed was calculated and compared with various methods by other scholars.     

Multi-mode interactions in vortex-induced vibrations of flexible curved/straight structures with geometric nonlinearities

A general low-order fluid–structure interaction model capable of evaluating the multi-mode interactions in vortex-induced vibrations of flexible curved/straight structures is presented. Cross-flow motions due to unsteady lift forces of inclined sagged cables and tensioned beams in uniform currents are investigated. In contrast to a linear equation governing the transverse motion of straight beams or cables typically considered in the literature, coupled horizontal/vertical (axial/transverse) displacements and geometric nonlinearities of curved cable (straight beam) are accounted for. A distributed nonlinear wake oscillator is considered in the approximation of space–time varying hydrodynamics. This semi-empirical fluid force model in general depends on the mass-damping parameter and has further been modified to capture both the effects of varying initial curvatures of the inclined cylinder and the Reynolds number. Numerical simulations are performed in the case of varying flow velocities and parametric results highlight several meaningful aspects of vortex-induced vibrations of long flexible cylinders. These comprise multi-mode lock-in, sharing, switching and interaction features in the space and time domains, the estimated maximum modal and total amplitudes, the resonant nonlinear modes of flexible cylinders and their space–time modifications, and the influence of fluid/structure parameters. A shortcoming of single-mode or linear structural model is underlined. Some quantitative and qualitative comparisons of numerical/experimental results are discussed to demonstrate the validity and required improvement of the proposed modelling and analysis predictions.     

Non-linear stochastic response of a shallow cable

The paper considers the stochastic response of geometrical non-linear shallow cables. Large rain-wind induced cable oscillations with non-linear interactions have been observed in many large cable stayed bridges during the last decades. The response of the cable is investigated for a reduced two-degrees-of-freedom system with one modal coordinate for the in-plane displacement and one for the out-of-plane displacement. At first harmonic varying chord elongation at excitation frequencies close to the corresponding eigenfrequencies of the cable is considered in order to identify stable modes of vibration. Depending on the initial conditions the system may enter one of two states of vibration in the static equilibrium plane with the out-of-plane displacement equal to zero, or a whirling state with the out-of-plane displacement different from zero. Possible solutions are found both analytically and numerically. Next, the chord elongation is modelled as a narrow-banded Gaussian stochastic process, and it is shown that all the indicated harmonic solutions now become instable with probability one. Instead, the cable jumps randomly back and forth between the two in-plane and the whirling mode of vibration. A theory for determining the probability of occupying either of these modes at a certain time is derived based on a homogeneous, continuous time three states Markov chain model. It is shown that the transitional probability rates can be determined by first-passage crossing rates of the envelope process of the chord wise component of the support point motion relative to a safe domain determined from the harmonic analysis of the problem.     

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。     

求解大柔度梁/绳索的ANCF单元及隐式迭代格式

为模拟大柔度梁/绳索结构的变形和大范围运动,基于绝对节点坐标方法ANCF(Absolute nodal coordi-nate formulation)和HHT(Hilber-Hughes-Taylor)积分方法,建立了ANCF单元的隐式动力学迭代格式.得到了简洁的节点等效力向量,且进一步导出了切线刚度矩阵的全部公式,并基于罚方法实现了对不同ANCF单元的铰接和刚性连接.分别对弦振动、双杆摆和T字摆、柔绳进行了数值模拟,数值结果与理论解及已有结果吻合良好,验证了本文方法的正确性.     

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。     

索托桥结构分析的滑移索单元法

为在索托桥的结构分析中精确模拟连续长索的滑动,本文创建了一种新的单元。被称为“滑移索单元”的新单元有三个节点,以点接触的形式模拟索从下方绕过滑轮,它可以通过自动调整两侧索段的长度而使单元处于平衡状态,从而简化了计算。新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解析解,并利用了平衡状态时单元内力之间的关系。本文介绍滑移索单元的推导过程,用设计的算例验证了它的正确性,分析了连续长索的滑移对索托桥桥面竖向变形的影响。新单元可以直接用于常规的有限元分析中,研究处于工作状态或在施工中的索结构。     

一种连续索滑移的处理方法

目的是建立一种快速简便的拉索滑移问题的有限元计算方法。采用基于弹性悬链线精确解的两节点悬链线单元模拟索结构中的拉索，利用求解非线性方程组的延拓法，再配以常用的牛顿法，建立了快速的给定索原长情况下的拉索刚度计算方法。此法对于一般的给定初值，能很快逼近真实解，从而扩大了解的收敛范围，更重要的是与牛顿法相比更加高效。进而采用二分法建立了索结构中拉索滑移问题处理的算法，编制了相应的程序段，并通过算例证明了其正确性。本文的拉索滑移处理方法可用于索结构的设计与施工。