振型归一化对梁结构柔度曲率损伤指标的影响

结构柔度矩阵需由质量矩阵归一化振型获得,而质量矩阵归一化振型难以直接测得,限制了柔度曲率类损伤指标的应用。为分析振型归一化方法对梁结构柔度曲率类损伤指标的影响,根据梁结构的刚度、弯矩和位移曲率的关系,建立了均布荷载作用下结构损伤前后位移曲率与损伤程度的理论表达式,实现定量分析均匀荷载面曲率结构损伤程度。提出P-范数振型归一化方法,通过均匀荷载面曲率指标推导了振型质量矩阵归一化系数差x_α与损伤程度的关系。以三跨连续梁算例对理论进行了验证,结果表明,损伤程度定量指标效果良好,不同P-范数振型归一化方法下,损伤程度的偏差可由2x_α估算;2-范数振型归一化方法的损伤识别结果与质量矩阵振型归一化结果最接近,故当无法获得质量矩阵归一化振型时,可采用2-范数归一化振型代替。     

隔震结构方程的一种压缩解法

基础隔振体系中，隔震器的刚度远小于上部结构的刚度，如果未知量数目比较大，则经常导致总刚度矩阵病态。本文利用上部结构本身的振型叠加压缩未知数，然后与隔震器构建混合方程，此时形成的方程为非对称方程。大量压缩未知量后，减轻了总刚度矩阵的病态。以四层隔震框架结构分析为例，结果表明，压缩解法和正常解法的静力结果十分吻合，但用Newmark逐步积分计算时，正常直接解法累积误差引起发散，而压缩解法计算不发散。     

一阶无穷小位移机构的刚化判定

一阶无穷小位移机构是一类具有机构性能的特殊的新型空间结构,从工程结构的角度考虑,只有能够清除机构性而获得几何刚度的体系才是可承载的结构体系。一阶无穷小位移机构的几何刚度的获得是通过体系的相对机构位移而获得的,这与传统结构的几何刚度的概念是完全不同的。因此,研究一阶无穷小位移机构的刚化问题是非常重要的。Maxwell准则只从体系的拓扑关系来考虑体系的几何稳定性,这显然不能应用于一阶无穷小位移机构的刚化判定问题。本文基于矩阵向量空间分解的理论和一阶无穷小位移机构的概念。在体系的平衡矩阵引入了边界条件,对一阶无穷小位移机构的刚化判定问题进行了分析,运用功能原理给出了一阶无穷小位移机构刚化的等价条件和判定方法。通过几个数值算例验证了本文结论和方法是正确的、可靠的。     

有限元秩亏方程的最小范数问题

为避免因确定边界约束条件时的不同而引起的应力，位移解不一致问题，作者认为在无明显稳定边界情况下应用整体最小范数法解算有限元方程，如存在相对稳定边界，则可采用部分最小范数解，在一定条件下，最小范数解更能反映位移场的真实状态，并使计算误差分布均匀。     

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。     

斜交连续梁桥数值分析研究

在分析了矩阵位移法和传递矩阵法的理论基础上，将二者组合而成矩阵混合法。矩阵混合法的实质就是将结构物的一端未知向量通过矩阵的简单乘法传递到另一端，再将已知条件代入求解的过程。在矩阵传递的过程中引入位移法中的前进代入的概念，即将未知向量不断地以新的未知向量替换，可以防止误差的传递和积累。将矩阵混合法运用于斜交连续梁桥内力计算，完成了矩阵混合法在斜交连续梁桥内力计算中的理论推导和程序的设计，给出了实际算例并与有限元法进行了比较。     

转子支承系统频率方程伴随矩阵的平衡变换

传递矩阵－多项式方法在转子支承系统动力特性分析中得到了成功的应用，但对于超柔性超高速转子的数值计算困难依然存在。为获得转子支承系统的特征频率多项式，需引入比例换算、高次项缩减的计算技巧；求解频率方程时采用求特征多项式伴随矩阵全部特征值的方法。应用矩阵相似变换理论，对矩阵进行了一系列相似变换的平衡过程，大大减轻了伴随矩阵Ｅｕｃｌｉｄ范数大、各元素量级相差巨大的数值病态特征。一个典型的数值算例表明了平衡变换的重要性，最后给出了二个转子算例以验证算法及程序的正确性     

一种精确结构静力重分析法

本文提出了一种结构静力重分析方法。通过引入结构刚体位移特征向量，可以导出结构广义柔度矩阵，原阶数较高的刚度方程被转化成一阶数较小的线性系统，位移一般解可以在边界条件尚未引入结构刚度矩阵之前导出，对于有局部变化的结构，新的结构广义柔度矩阵可以迅速进行修改。这种静力重分析可以用在载荷条件、边界条件、结构单元同时或分别改变时的静力分析之中，文中提供了两个算例，以证明此方法的有效性     

有限元病态刚度方程的解法研究

本文在文献１，２的基础上，对有限元了点位移构成准刚体运动这种情况进行了研究，提出了一种新的改性转换矩阵Ｑ，并给出了两种简单易行的计算Ｑ＾Ｔ Ａ Ｑ的方法。所提方法对直接法和迭代法求解有限元病态方程都是适用的，算例表明，得到了较好的计算结果。     

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。     

随机结构系统的一般实矩阵特征值问题的概率分析

由于工程实际结构的复杂性和所用材料在统计上的离散性以及测量、加工、制造误差的存在，必然导致具有随机参数的随机结构振动系统，按结构参数的性质来划分，随机振动问题包括两方面内容：(1)确定结构问题；(2)随机结构问题。本文以现代数学理论为依托，研究了随机结构系统的一般实矩阵的特征值问题。根据Kronecker代数、向量值和矩阵值函数的灵敏度分析、一般二阶矩法和概率摄动技术给出了计算随机结构系统的一般实矩阵的特征值和特征向量的数值方法，可以有效地得出随机结构系统的一般实矩阵的特征向量的统计量，发展了2D矩阵值函数的随机结构系统的特征值问题概率分析理论。     

矩阵摄动理论在六轴机车横向运动稳定性分析中的应用

本文提出了一种分析机车横向运动稳定性的方法,即利用复膜态的矩阵摄动法来计算临界速度,该方法避免了反复计算矩阵的特征值从而可节约大量的计算时间,对矩阵摄动法计算精度的研究结果表明,该方法的的精度是足够的。     

基于细长梁单元的悬索桥主缆线形分析Study on main cable shape of suspension bridge based on slender beam element

悬索桥主缆线形的精细化计算需要同时考虑弯曲刚度及初始弯曲的影响,为此将主缆离散为小挠度的细长梁单元,推导包含自重项的细长梁单元的刚度矩阵,其中考虑了轴力对弯曲刚度的影响及弯矩引起的轴向刚度修正系数。基于细长梁单元编制主缆线形计算的有限元程序,采用改进的迭代法求解几何非线性结构的平衡状态,并考虑鞍座处主缆线形的修正。利用程序计算了两座悬索桥主缆在恒载作用下的变形,结果表明,主缆弯曲刚度对跨中和桥塔附近主缆线形的影响较大,且矢跨比越大,主缆线形的计算误差就越大。由弯曲刚度引起的主缆线形计算误差将会带来吊索下料长度计算不准确、索夹放样坐标不准确、成桥桥面线形达不到设计线形以及成桥吊索力分布不均匀等问题,尤其是对矢跨比较大的自锚式悬索桥,需要在设计和施工中引起足够的重视。     

变截面钢板弹簧刚度计算的传递矩阵法

钢板弹簧悬架是商用汽车的关键部件,对整车的平顺性以及操纵稳定性有着重要影响,采用变截面少片簧代替多片簧是整车轻量化的重要趋势。由于变截面钢板弹簧成型的复杂性,传统的设计计算方法存在较大误差。在精确分析梯形梁单元变形特性的基础上,提出了一种新的变截面板簧刚度计算的传递矩阵法。对于广泛应用的各种变截面板簧,一般只需十来个单元即可得到非常逼近于有限元精确分析的结果。最后,通过不同类型板簧和不同方法的对比计算验证了该方法的有效性。     

非滑移刚度理论下的空缆线形半解析算法

为设计阶段更简洁和准确地计算悬索桥空缆线形,提出了一种锚跨水平张力-预偏量-修正水平力迭代过程的非滑移刚度理论计算方法。基于分段悬链线理论,探讨了空缆线形计算存在的三种不同情况,并以此为计算思路。在任一锚跨水平张力作用下,考虑鞍座对空缆线形的影响,以各跨无应力索长不变与鞍座两侧的力或力矩平衡为准则,推导了各跨左右鞍槽接触段和悬空段的内力与线形平衡方程,以及迭代过程中待求参数之间的影响矩阵及修正方法,以右边塔索鞍处不动点里程坐标误差为收敛条件,采用了二分法迭代出理论的左锚跨水平张力,进而得到空缆状态下各索鞍的预偏量以及各跨索段内力与线形。通过算例比对,验证了本文方法的可靠性。结果表明,在成桥状态下结构参数已知的基础上,仅需求解左锚跨水平张力一个变量参数,即可得到各跨索股线形与内力以及鞍座预偏量。相比传统的滑移刚度理论方法,本文方法迭代过程方便简洁,易收敛且精度高,无需往复固定或释放一个鞍座约束进行迭代求解,提高了计算效率,适用于任意跨对称或非对称空缆线形的计算。     

Stability conditions of prestressed pin-jointed structures

Pin-jointed structures are first classified to trusses, tensile structures, and tensegrity structures in view of their respective stability properties. A sufficient condition for stability of an equilibrium state is derived for tensegrity structures. The condition is based on the bilinear forms of the linear and geometrical stiffness matrices considering the flexibility of members. The stability is defined by the positive definiteness of the tangent stiffness matrix, whereas the definition of prestress-stability is based on the geometrical stiffness matrix and the infinitesimal mechanisms. Numerical examples verify that the so-called super-stability condition might not be satisfied by a stable tensegrity structure, and that a prestress-stable structure can be unstable if the prestresses are moderately large.     

基于CUDA的有限元矩阵并行装配算法研究

构建航天飞行器的结构有限元模型是准确模拟飞行仿真、完成飞行器在轨飞行阶段结构故障监测和诊断的基础。采用细长体飞行器简化梁模型，提出新的基于CUDA（Compute Unified Device Architecture）的有限元单元刚度矩阵生成和总刚度矩阵组装算法。依据梁单元矩阵的对称性，结合GPU硬件架构提出并行生成算法并进行改进。为有效减少装配时间，在装配过程中采用着色算法，提出了基于GPU（Graphics Processing Unit）共享内存的非零项组装策略，通过在不同计算平台下算例对比，验证了新算法的快速性。数值算例表明，本文算法的求解效率较高，针对一定计算规模内的模型可满足快速计算与诊断的实时性要求。     

求解多层弹性半空间轴对称问题的精确刚度矩阵法

本文首先从弹性力学的基本方程出发，利用Hankel积分变换等数学手段，推导出了单层弹性半空问轴对称问题的刚度矩阵，然后按传统的有限元方法组成总体刚度矩阵。通过求解由总体刚度矩阵所构成的代数方程和Hankel积分逆变换就可解出静荷载作用下多层弹性半空间轴对称问题的精确解。由于刚度矩阵的元素中不含有正指数项，计算时不会出现溢出的现象，从而克服了传递矩阵法的缺点。由于在推导过程中摒弃了应力函数的选择，使得问题的求解更加理论化和合理化，同时也为进一步研究这类问题如温度场，动力学等方向奠定了理论基础。最后，文中还给出了计算实例来证明推导结果的准确性。