直接基于单元平衡的变截面梁反应分析方法

固定形状的单元位移插值函数不能合理地近似变截面梁内部的位移变化,从而影响了传统梁单元用于计算变截面梁的精度.采用直接基于单元平衡的思想给出了计算变截面梁反应的有限元方法,解决了单元位移插值函数局限性所带来的问题.导出了变截面梁单元的单元刚度矩阵、单元等效节点荷载和单元一致质量矩阵.在此基础上,利用编制的程序进行了算例验证与分析.算例验证了本文理论的正确性,表明本文方法具有很高的计算精度.     

建立基于力的变截面梁单元质量矩阵的新方法

基于位移的有限梁单元中三次Hermite插值函数不能有效地描述变截面梁单元内部位移变化,只能通过加密网格增加单元数解决,会造成计算量增大。基于力的有限梁单元由于使用的力插值函数不受截面形状变化的影响,在处理变截面梁时有很大优势,可以得到精确的位移插值函数,利用较少的单元可以达到很高的精度,解决了基于位移的有限梁单元在处理变截面梁时的不足。本文得到了考虑剪切变形的位移插值函数和考虑转动惯量的一致质量矩阵。利用算例验证了本文理论的正确性和高效性。     

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。     

含楔形变截面梁静力分析的传递矩阵法求解

<正> 对于阶梯状变截面梁,其内力和变形的传递矩阵法求解,在文[1]中已有论述.但对于工程上常用到的含有楔形的变截面梁及加腋梁,若用一阶梯状梁来近似,仍采用等截面梁的传递矩阵进行计算,则不但计算工作量增加,而且只能得到近似解.笔者通过对楔形梁基本微分方程的推导,得到了楔形梁的传递矩阵,使在对含有线性变化截面梁段及等截面梁段进行传递矩阵法求解时,计算工作量减少,而且得到的解相当精确.     

一种考虑剪切变形的矩形板元素刚度矩阵

本文应用应变能分项插值的概念推导了一种具有12个参数的考虑剪切变形的正交各向异性矩形平板元素的刚度矩阵,在计算应变能的近似值时,对不同的项采取了不同的位移函数.基本的位移函数是根据考虑剪切变形的直梁的位移得到的,其中包含了弯曲刚度与剪切刚度的比值D/C,因此得到的刚度矩阵对各种剪切刚度值直至薄板(C→∞)都能应用.刚度矩阵以显式表示,使用方便.对典型问题的静力、动力计算表明结果是良好的.     

一个改进的平面梁单元

根据有限单元法基本原理 ,提出了一个变截面平面梁单元 ,推导了其单元钢度矩阵。这一改进的梁单元用于分析梁高呈线性变化及二次抛物线变化的矩形截面梁 ,将得到准确解。文中给出了一个变截面悬臂梁算例 ,计算表明 ,这一改进的梁单元使变截面梁的分析大大简化     

薄壁杆系结构的梁元分析模型

本文导出了用于薄壁杆系结构弹性分析的薄壁梁元分析模型，在空间梁元分析模型^[3]的基础上，采用了一种改进的位移模式，考察了薄壁杆件可能发生的拉压，剪切，弯曲，扭转和翘曲等各变形形式以及它们的耦合效应，得出了相应的单元形函数，同时从工程应变的定义出发，采用Taylor级数展开的方法，建立了单元的五阶近似正交变表达式，并建立了相应的薄壁单元刚度方程，从而得出了局部坐标系下单元刚度矩阵的显式，根据本文所导出的薄壁梁元分析模型，编制了相应的结构计算程序，通过算例验证了本文所推导的单元刚度矩阵，同时通过与传统空间梁元计算模型计算结果的比较，阐述了截面翘曲对薄壁杆系结构的影响。     

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。     

基于剪切变形的矩形梁剪力滞求解方法

Timoshenko梁通过假设截面的剪切刚度和附加平均剪切转角变形的方式来近似修正初等梁中未考虑剪切变形能的问题,这与梁剪应力沿梁高变化的实际不符。本文基于材料力学剪应力计算式和相应的剪切变形理论,从剪切变形与梁的位移关系入手,导出矩形梁考虑剪切变形时的纵向位移沿梁高方向的函数关系式,证明该位移可分解为纯弯曲引起的位移和剪力引起的剪力滞翘曲位移之和。应用剪力滞广义坐标与广义力的概念,基于能量变分原理得到等截面梁剪力滞控制微分方程组及其通解形式。对均布荷载作用下矩形简支梁的算例分析表明,本文算法与弹性力学精确解对比,两者的应力和挠度剪力滞系数求解结果非常接近,本文算法有足够的精度,且比弹性力学简单。     

基于有限条带的厚/薄板矩形通用单元

基于两广义位移梁理论，利用解析试函数来建立厚／薄梁单元的横向位移、转角位移、曲率、剪应变等位移模式，构造出厚／薄梁通用单元．应用有限条带，将厚／薄梁单元的位移模式应用于厚／薄板矩形弯曲单元，直接构造出单元的横向位移、转角、曲率、剪应变，导出了单元的刚度矩阵和结点等效力，编制了计算程序，进行了数值计算和比较，结果表明，所研究的单元不出现剪切闭锁且精度较好．     

一种考虑初始缺陷影响的非线性梁单元

在目前广泛应用的梁单元中,尚缺乏全面考虑以下四种因素影响的粱单元：(1)轴力的影响;(2)剪切交形的影响;(3)初始弯曲的影响;(4)弯曲变形对轴向应变的影响,即弓形效应。事实上,以上四种非线性因素都会对钢框架结构的稳定和极限承载力有影响,需同时考虑。本文将致力于推导同时考虑以上四种因素影响的平面梁单元的平衡微分方程,最后得到精确的粱单元刚度矩阵,并研究以上四种因素对钢框架构件及钢框架结构的影响。     

基于等效刚度的矩形孔蜂窝梁钢框架结构内力计算方法

蜂窝梁钢框架结构因梁截面沿长度周期性变化，不能直接采用普通钢框架结构矩阵位移法计算框架内力和位移．本文基于等效刚度法推导了矩形孔蜂窝梁的等效抗弯刚度、抗剪刚度和轴向刚度，建立了矩形孔蜂窝梁的单元刚度方程，提出了矩形孔蜂窝梁钢框架内力和位移计算方法．算例理论计算结果与有限元分析结果表明，两种方法计算结果非常接近．本文提出的等效刚度法概念清晰，准确性好，适用于计算蜂窝梁钢框架结构的内力和位移．     

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.     

A new super convergent thin walled composite beam element for analysis of box beam structures

In this paper, a new composite thin wall beam element of arbitrary cross-section with open or closed contour is developed. The formulation incorporates the effect of elastic coupling, restrained warping, transverse shear deformation associated with thin walled composite structures. A first order shear deformation theory is considered with the beam deformation expressed in terms of axial, spanwise and chordwise bending, corresponding shears and twist. The formulated locking free element uses higher order interpolating polynomial obtained by solving static part of the coupled governing differential equations. The formulated element has super convergent properties as it gives the exact elemental stiffness matrix. Static and free vibration analyses are performed for various beam configuration and compared with experimental and numerical results available in current literature. Good correlation is observed in all cases with extremely small system size. The formulated element is used to study the wave propagation behavior in box beams subjected to high frequency loading such as impact. Simultaneous existence of various propagating modes are graphically captured. Here the effect of transverse shear on wave propagation characteristics in axial and transverse directions are investigated for different ply layup sequences.     

A new finite element of spatial thin-walled beams

Based on the theories of Timoshenko＇s beams and Vlasov＇s thin-walled members, a new spatial thin-walled beam element with an interior node is developed. By independently interpolating bending angles and warp, factors such as transverse shear deformation, torsional shear deformation and their Coupling, coupling of flexure and torsion, and second shear stress are considered. According to the generalized variational theory of Hellinger-Reissner, the element stiffness matrix is derived. Examples show that the developed model is accurate and can be applied in the finite element analysis of thinwalled structures.     

STUDY ON AMPLIFICATION FACTOR OF FLEXURAL BUCKLING CRITICAL LOAD OF AXIAL COMPRESSION BARS1)

为了建立一般条件下轴压构件屈曲临界载荷的计算理论,首先对轴心受压构件发生屈曲时的总势能方程进行了推导,然后采用Rayleigh-Ritz法并基于势能驻值原理得到了4种不同端部约束条件下轴压构件的屈曲临界载荷,对比欧拉临界载荷,给出了临界载荷放大系数 的计算式,全面考虑了构件长细比、压缩变形、剪切变形以及截面形状系数对临界载荷的影响,推导的计算式可用于较小长细比轴压构件发生屈曲时临界载荷的计算.圆截面和双轴对称工字形截面轴压构件屈曲临界载荷的分析表明构件长细比是影响放大系数的主导因素。     

Corotational nonlinear analyses of laminated shell structures using a 4-node quadrilateral flat shell element with drilling stiffness

A new 4-node quadrilateral flat shell element is developed for geometrically nonlinear analyses of thin and moderately thick laminated shell structures. The fiat shell element is constructed by combining a quadrilateral area co- ordinate method （QAC） based membrane element AGQ6- II, and a Timoshenko beam function （TBF） method based shear deformable plate bending element ARS-Q12. In order to model folded plates and connect with beam elements, the drilling stiffness is added to the element stiffness matrix based on the mixed variational principle. The transverse shear rigidity matrix, based on the first-order shear deformation theory （FSDT）, for the laminated composite plate is evaluated using the transverse equilibrium conditions, while the shear correction factors are not needed. The conventional TBF methods are also modified to efficiently calculate the element stiffness for laminate. The new shell element is extended to large deflection and post-buckling analyses of isotropic and laminated composite shells based on the element independent corotational formulation. Numerical re- sults show that the present shell element has an excellent numerical performance for the test examples, and is applicable to stiffened plates.     

Stress concentrations in composites with interface sliding,matrix stiffness and uneven fiber spacing using shear lag theory

The stress concentrations near a single fiber break in a unidirectionally reinforced fiber composite are investigated using a shear lag theory within the framework of finite elements. A model for uniformly spaced, well bonded fibers embedded in a matrix that cannot carry axial loads that was formulated previously is first introduced. The solution of this problem involves Fourier transforms and requires only a two-dimensional numerical integration. The work described in the current paper characterizes the stress concentrations around a single fiber break in the presence of fiber/matrix interface sliding, axial matrix stiffness and uneven fiber spacing. Due to the introduction of these complicating factors, the model no longer lends itself to the simple Fourier transformation solution method. For the case of interface sliding a new method is developed to handle sliding in any shear lag system. For the cases of axial matrix stiffness and uneven fiber spacing a finite element code specifically written for this problem is used to determine the fiber stresses. The results are discussed in the context of global versus local load sharing, and the effects on composite failure.     

成层地基中变模量埋置框架的波动响应研究

基于埋置框架的回传射线矩阵法,研究土体刚度对埋置框架速度波的影响,探讨接收点对成层地基中的有缺陷埋置框架轴向速度波的影响规律,比较有缺陷埋置框架与有缺陷单桩基础的轴向速度波.结果表明:土体刚度对成层地基中的埋置框架横向速度波影响较大,有缺陷埋置框架与有缺陷单桩基础的轴向速度波有较好的一致性.