无粘结预应力混凝土板火灾行为的非线性分析

火灾试验研究表明,火灾下无粘结预应力混凝土受弯构件的变形非常大,其中转动也很大,尤其是单面受火的板,是典型的材料非线性、几何非线性问题。如何对其进行精确、高效地求解是值得关注的问题。而基于S-R分解原理的更新拖带坐标有限元法有诸多优点:有利于跟踪变形物体中各点的变形;保证单元的质量守恒;在有限元增量法求解时,还可以避免对坐标的修正;而且将转动作为一个独立的自由度,提高了求解效率。在升温过程中,虽然预应力钢筋的应力处处相等,但其各点的温度不同,导致各点的温度应变、蠕变、塑性应变均不同。预应力筋必然产生滑移。本文采用该方法对火灾下无粘结预应力钢筋混凝土板进行编程分析。通过实际算例验证该算法的可靠性,该方法求解效率高,精度也比较好。     

火灾下钢筋混凝土板的热弹塑性有限元分析——基于S-R分解原理(Ⅱ:算例分析)

采用基于S-R分解原理的更新拖带坐标有限元法,对火灾下钢筋混凝土板进行了数值模拟.并以标准升温为条件,探讨了不同的钢筋保护层厚度、钢筋及混凝土强度等级、荷载水平、板厚等因素,对钢筋混凝土简支板抗火性能的影响.计算结果表明,构件变形主要是由非线性温度场引起的热变形.为采取一些简单的设计思想来完善钢筋混凝土构件抗火性能提出了建议.     

柔性多体动力学的共旋坐标法

共旋坐标法作为柔性多体动力学的建模方法已经有数十年的发展历程.作为解决大转动小应变问题的可靠方法,共旋坐标法建模简单,意义明确,并且能借用现有的有限元理论,求解时效率高,精度好.因此柔性多体动力学中,共旋坐标法不仅在非线性分析中有良好的表现,在工程实际中也有较好的应用潜力.柔性多体系统动力学中的大变形问题大多涉及梁、板壳等柔性结构,有大量的大转动小应变问题需要解决.本文对采用共旋坐标法来分析梁、板壳类结构的研究中存在的若干关键问题进行了相关的讨论,如有限转动理论、局部坐标系的定义、单元类型和相应的动力学问题等.比较了各种方法的优势与局限,并且展望了共旋坐标法的发展趋势.     

轴向约束梁柱在火灾引起温度沿截面不均匀分布条件下的大变形分析

火灾升温引起钢材强度和刚度降低,对温度沿截面分布不均匀的构件还将产生热弯曲,火灾下结构分析同时涉及几何非线性和材料非线性,无法求得解析解,只能通过数值方法求解.本文基于轴线可伸长梁理论,用勒让德多项式作为基函数逼近梁柱轴向和横向变形,根据平衡方程误差平方和最小的条件确定多项式系数的方法,分析了轴向约束钢柱在火灾引起的沿截面线性分布温度场下的受力和变形性能.考虑了温度梯度、轴向约束刚度比、荷载比、构件长度等参数的影响和升温条件下钢材的弹塑性性能的影响,该方法结果与解析结果和有限元分析结果吻合.研究表明,随着荷载比的增大构件的临界温度迅速降低,轴向约束刚度、温度梯度和构件长度仅影响构件的变形,对构件的临界温度影响较小.     

火灾情况下混凝土板温度场的解析解

针对火灾情况下火场温度和构件边界的温度均随时间不断变化的问题,应用杜哈美尔定理分析了边界温度按一定规律随时间变化的热传导问题。推导得到了火灾情况下混凝土板温度场的解析解公式,并应用MATLAB编程计算得到了解析解结果。比较解析解的计算结果和试验结果发现:两者得到的截面温度场都呈非线性分布;两者的变化趋势一致,即近火面的温度梯度很大,距受火面越远,温度梯度越小;温度曲线都是凸向坐标轴。因此,推导得到的解析解公式适合于求解火灾时混凝土板横截面的温度场。同时,只要能够求出非齐次项与时间无关时的辅助问题的解,便可应用杜哈美尔定理求解该热传导问题的温度场,因此该方法可推广应用于火灾情况下其它构件温度场解析解的计算。     

火灾情况下混凝土板温度场的解析解

针对火灾情况下火场温度和构件边界的温度均随时间不断变化的问题，应用杜哈美尔定理分析了边界温度按一定规律随时间变化的热传导问题。推导得到了火灾情况下混凝土板温度场的解析解公式，并应用 MATLAB 编程计算得到了解析解结果。比较解析解的计算结果和试验结果发现：两者得到的截面温度场都呈非线性分布；两者的变化趋势一致，即近火面的温度梯度很大，距受火面越远，温度梯度越小；温度曲线都是凸向坐标轴。因此，推导得到的解析解公式适合于求解火灾时混凝土板横截面的温度场。同时，只要能够求出非齐次项与时间无关时的辅助问题的解，便可应用杜哈美尔定理求解该热传导问题的温度场，因此该方法可推广应用于火灾情况下其它构件温度场解析解的计算。     

大转动梁的几何非线性分析讨论

本文借助Ｌａｇｒａｎｇｅ（Ｔ．Ｌ．）法、修正的Ｌａｇｒａｎｇｅ（Ｕ，Ｌ，）法及带有动坐标的迭代法求解梁的几何非线性问题，说明了各自的特点，澄清了若干基本概念。指出动坐标方法实质上就是Ｕ．Ｌ．法，它适合于分析具有大转动梁的问题，并可方便地推广到大转动的板壳问题。同时指出对于几何非线性问题，可以不必区分Ｃａｕｃｈｙ应力和Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力。     

基于固定角软化桁架模型的钢筋混凝土

在固定角软化桁架模型的基础上,提出了钢筋混凝土构件在纯扭作用下的非线性分析方法。根据平衡条件、变形协调条件和材料本构关系,推导出16个方程,其中包含20个变量。而后根据扭转问题的特点,提出了求解这些方程的有效算法。该方法不仅可以预测受扭构件的极限强度,而且可以预测其开裂后的荷载-变形历史。通过对63个试件的计算验证,计算结果与试验结果吻合良好。     

大转动梁的几何非线性分析讨论

本文借助Ｌａｇｒａｎｇｅ（Ｔ．Ｌ．）法、修正的Ｌａｇｒａｎｇｅ（Ｕ．Ｌ．）法及带有动坐标的迭代法求解梁的几何非线性问题，说明了各自的特点，澄清了若干基本概念，指出动坐标方法实质上就是Ｕ．Ｌ．法，它适合于分析具有大转动梁的问题，并可方便地推广到大转动的板壳问题，同时指出对于几何非线性问题，可以不必区分Ｃａｕｃｈｙ应力和Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力。     

梁板壳的几何大变形--从近似的非线性理论到有限变形理论

对梁板壳的线性理论、近似几何非线性理论与有限变形理论作了比较,介绍了有限转动理论,指出了应用有限变形理论求解梁板壳的大变形问题的高效率、高精度的巨大优越性。     

火灾下钢筋混凝土板的非线性有限元分析

根据大挠度板单元理论,对常温钢筋混凝土简支板的力学性能进行数值分析,验证了模型及程序的可靠性。在此基础上,提出双轴受压瞬态热应变模型和瞬态模量的概念,利用温度场模拟结果,对钢筋混凝土简支板火灾行为进行了数值模拟,并研究了不同准则下板的耐火极限。结果表明,数值计算结果与试验曲线吻合较好,验证了瞬态热应变模型的有效性;与其他准则相比,基于温度准则所得的耐火极限值相对保守。     

泡沫铝防护钢筋混凝土板的抗爆性能

为研究多孔吸能材料泡沫铝板对工程结构的抗爆防护作用，开展室外爆炸破坏实验，分别对设置不同泡沫铝防护层的钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）板在爆炸荷载下的动态响应及破坏模式进行了研究，并运用LS-DYNA软件建立了有限元模型。通过与实验对照，验证了模型的可行性，对比分析了有、无泡沫铝防护层钢筋混凝土板的损伤破坏规律，并讨论了泡沫铝密度梯度分布和纵筋配筋率的影响。结果表明:有限元模型能够有效分析含泡沫铝防护层RC板的动态响应及其破坏形态；泡沫铝防护层能够有效减小钢筋混凝土板的挠度变形，降低试件的破坏程度；泡沫铝密度由下到上递增情况对RC板的减爆效果最好；增大配筋率可以提升泡沫铝防护RC板整体抗爆性能。     

双钢板混凝土组合板抗爆性能分析

钢-混凝土-钢组合板是一种新型的组合结构,与传统钢筋混凝土板相比,具有抗剪强度高、延性大、耗能能力强等特点,目前已经被广泛应用于核反应堆安全壳、海洋平台及储油罐等结构。本文中,设计并制作了缩尺的普通钢筋混凝土板和钢-混凝土-钢组合板,开展了在接触爆炸荷载作用下的实验研究,通过损伤分析、跨中最大挠度对比研究不同板的抗爆性能。基于ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序,研究了钢-混凝土-钢组合板的损伤模式、跨中最大挠度等,并与实验结果进行了对比分析,验证了有限元分析模型的准确性和适用性。参数化分析了炸药量、混凝土强度和钢板厚度等参数对钢-混凝土-钢组合板抗爆性能的影响规律。利用多参数回归分析方法,提出钢-混凝土-钢组合板跨中挠度的预测公式。结果表明:提高混凝土强度可以降低结构的塑性损伤, 增加钢板厚度可以有效降低钢-混凝土-钢组合板的跨中最大挠度。相对于普通钢筋混凝土板,钢-混凝土-钢组合板保持了良好的整体性,且具有继续承载的能力。拟合公式能够较好地预测钢-混凝土-钢组合板跨中挠度与药量和钢板厚度的关系。     

Application of the strain energy density criterion to ductile fracture

The strain energy density criterion due to Sih is used to predict fracture loads of two thin plates subjected to large elastic-plastic deformation. The prediction is achieved with a finite element analysis which is based on Hill's variational principle for incremental deformations capable of solving gross yielding problems involving arbitrary amounts of deformation. The computed results are in excellent agreement with those obtained in Sih's earlier analysis and with an experimental observation.     

Finite-element formulations for problems of large elastic-plastic deformation

An Eulerian finite element formulation is presented for problems of large elastic-plastic flow. The method is based on Hill's variational principle for incremental deformations, and is ideally suited to isotropically hardening Prandtl-Reuss materials. Further, the formulation is given in a manner which allows any conventional finite element program, for “small strain” elastic-plastic analysis, to be simply and rigorously adapted to problems involving arbitrary amounts of deformation and arbitrary levels of stress in comparison to plastic deformation moduli. The method is applied to a necking bifurcation analysis of a bar in plane-strain tension.The paper closes with a unified general formulation of finite element equations, both Lagrangian and Eulerian, for large deformations, with arbitrary choice of the conjugate stress and strain measures. Further, a discussion is given of other proposed formulations for elastic-plastic finite element analysis at large strain, and the inadequacies of some of these are commented upon.     

Numerical simulation: The dynamic behavior of reinforced concrete plates under normal impact

This investigation deals with the use of the finite element method on the reinforced concrete structural dynamic response and failure behavior when subjected to the projectile impacts of different velocities, using the test conducted in [S.J. Hanchak, M.J. Forrestal, E.R. Young, J.Q. Ehrgott, Perforation of concrete slabs with 48 MPa (7 ksi) and 140 MPa (20 ksi) unconfined compressive strengths, Int. J. Impact Eng. 12 (1992) 1–7]. The Johnson–Holmquist concrete material constitutive law model is employed to simulate the large strains, high strain states and high pressures to which the concrete is subjected. The projectile impact velocity ranges from 381 m/s to 1058 m/s. Numerical simulations demonstrate that the Johnson–Holmquist concrete material constitutive model can describe the different failure modes without any predefined defects in the element mesh, and normally obtain good agreement between the numerical simulations and test results.     

A New Flexible Multibody Beam Element Based on the Absolute Nodal Coordinate Formulation Using the Global Shape Function and the Analytical Mode Shape Function

Several techniques for the reduced dimensionality of finite elementformulations were considered as component mode reduction methods in themiddle sixties. These techniques are widely used in flexiblemultibody simulations for solving small deformation problems. Theabsolute nodal coordinate formulation for solving large rotation anddeformation problems has been established as a full finite elementmethod instead of using similar kinds of reduction techniques. In thispaper, a reduced order absolute nodal coordinate formulation is newlyestablished by introducing the global beam shape function and theanalytical deformation modes as a full finite element. This formulationleads to a constant and symmetric mass matrix as the conventionalabsolute nodal coordinate formulation, and makes it possible to reducethe number of elements and system coordinates of the beam structurewhich undergoes large rotations and large deformations. Numericalexamples show that the excellent agreements between thepresent formulation and the conventional absolute nodal coordinateformulation using a large number of elements are examined. These results demonstratethat the present formulation has high accuracy in the sense that thepresent solutions are similar to the conventional ones with fewersystem coordinates, and high efficiency in computation.