变截面门式刚架结构分析的微分求积单元法

本文采用一种精确、简便的数值计算方法——微分求积单元法(DQEM)对变截面门式刚架结构进行了力学分析。首先建立了一般荷载作用下变截面构件的平衡微分方程，并采用微分求积法进行离散，进而得出了较为精确的分析变截面构件的单元力学模型。该模型的刚度方程不仅反映了单元的刚度性质，而且反映了单元的实际荷载作用，可较为精确地分析变截面门式刚架结构在分布载荷作用下的受力性能。通过与有限元法计算结果的比较，表明了微分求积单元法在变截面刚架的力学分析中的正确性和优越性。微分求积单元法可用于任意形状的刚架结构的静力分析。     

轴向均布载荷下压杆稳定问题的DQ解

叙述了微分求积法(differential quadrature method)的一般方法，研究用微分求积法求解在均布轴向载荷下细长杆的稳定问题．通过Newton-Raphson法求解非线性方程组，以及对问题进行线性假设后求解广义特征值方程，得到了精度很高的后屈曲挠度数值和临界载荷数值．与解析解和其他近似解相比，微分求积法具有较高的精度和简便性．     

集中载荷作用下梯度复合材料梁的小波-微分求积法分析

将梯度复合材料梁作为平面应力问题处理,采用小波和微分求积混合法,对集中荷载作用下结构的响应进行了分析.考虑材料特性参数沿高度方向呈梯度分布,在该方向上采用广义微分求积法进行离散;鉴于广义微分求积法求解集中荷载问题精度不高的缺点,在梁的长度方向上引入对突变信号敏感的小波插值函数.数值计算表明,小波-微分求积混合法不仅保留了广义微分求积法高效的优点,而且能够很好地模拟结构局部化特征.     

饱和土一维动力响应分析的弱式微分求积元法

基于伽辽金加权残值法，本文首先建立一维饱和土动力学控制微分方程的弱形式，而后分别采用微分求积法和有限元法将其空间坐标离散，得到以土体骨架位移、流体-土骨架相对位移和孔隙流体压力为自由度的单元离散方程，从而采用Crank-Nicolson 法求解．数值算例一方面通过与解析解的对比，验证了离散方程和数值程序的正确性．另一方面，通过地表位移和基底孔隙压力的收敛性分析，检验了求积元和有限元法的收敛效率．数值结果表明：所建立的弱式微分求积法在饱和土动力分析中不仅具有显著优于常规有限元法的收敛效率，而且还具有可变阶的收敛性能，为今后高效率分析提供了一种可能．     

混合微分求积法在功能梯度材料平板柱形弯曲问题中的应用

利用混合微分求积法,对任意荷载作用下不同材料梯度分布的功能梯度材料平板柱形弯曲问题进行了分析。针对广义微分求积法求解集中荷载问题精度不高的缺点,本文利用小波微分求积法进行了改进。由于小波对突变信号具有良好的自适应描述能力,因此在平板宽度方向上,利用小波微分求积法可以有效地处理集中荷载;而在材料梯度变化的板厚方向上,则利用广义微分求积法计算量小且精度高的特点进行离散计算。计算表明,混合微分求积法不仅保留了广义微分求积法高效的特点,而且能有效地求解任意荷载作用的问题。通过算例,分析了在机械荷载作用下,材料不同梯度形式、平板上下表面材料性质差异对功能梯度平板结构响应的影响。     

弹性地基上变厚度矩形板自由振动的GDQ法求解

基于广义微分求积法(GDQ法),对弹性地基上变厚度矩形板横向自由振动的控制微分方程及其不同边界条件进行离散,研究了其自由振动的频率特性。数值计算得到了不同长宽比?、不同厚度变化参数?、不同地基参数K条件下以及简支或固定边界条件下弹性地基上变厚度矩形板的量纲为一的振动频率,并与已有文献进行了比较。结果表明:运用广义微分求积法对弹性地基上变厚度矩形板的频率求解结果在退化到K=0时与幂级数解的结果非常吻合;在条件相同的情况下,采用广义微分求积法仅需较少的节点(N=M=13)就能达到满意的求解精度。本文的研究为求解此类问题的低阶、高阶振动频率提供了一种简便有效的数值方法。     

基于边界值方法的微分动力系统数值计算方法

对高维非线性初值问题,微分求积法在每一步的积分过程中需要求解一个更高维的非线性方程组,因而计算量巨大。基于微分求积法与边界值方法两者之间的关系,可以将广义向后差分方法和扩展的隐式梯形积分方法看作是经典微分求积法的稀疏表达形式。将广义向后差分方法以及扩展的隐式梯形积分方法这两类边界值方法应用于微分动力系统的数值计算,提出了一类新的数值计算方法。理论分析及算例结果表明,对高维非线性微分初值问题的数值计算,本文方法相对于经典的微分求积法具有更高的计算效率。     

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。     

一种结构动力响应分析的快速高阶算法

为了提高基于高阶格式的结构动力响应微分求积分析方法的计算效率,发展了一种求解动力方程的快速算法．利用微分求积原理将结构动力方程转化为标准Sylvester方程的形式,通过对系数矩阵进行矩阵分解,进而将动力响应Sylvester方程化为一系列标准线性方程组,采用相关成熟算法求解这些线性方程组后即可获得结构动力时程响应的全部解答．结构动力响应微分求积分析方法为高阶数值方法,一步计算可以获得多个时点处的动力响应．基于本文快速算法,不必直接对矩阵方程进行求解．数值算例表明,本文快速算法能够准确地计算出结构动力响应,具有数值精度高、收敛性好的优点．     

求解具有弹性接头桩基动力学大变形的微分—代数方法

本文采用弧坐标首先建立了求解具有弹性接头的桩基大变形分析的非线性动力学微分方程,其中, 广义Winkler模型用来模拟土对桩基的抗力.其次,在空间域内应用微分求积单元法来离散非线性微分方程组,并给出了处理弹性接头处连接条件的微分求积单元公式,得到了时间域内的一组微分-代数方程,采用二阶向后差分来代替二阶时间导数离散微分-代数方程组,得到一组离散化的非线性代数方程,应用Newton-Raphson方法求解了该非线性代数方程组.最后给出了数值算例,得到了桩基在顶部处受到组合动载荷作用时的响应,考察了弹性接头的刚度、位置对桩基动力学行为的影响.     

丝束轴向变角度复合材料梁的弹性分析

丝束变角度复合材料具有变刚度的特点,因此其结构分析具有相当难度．本文采用状态空间法和微分求积法联合的半解析数值方法对丝束轴向变角度复合材料梁的弯曲问题进行研究．假设纤维方向角沿梁的轴向按照任意连续函数变化,选取位移和位移的一阶导数作为状态变量,建立了丝束轴向变角度复合材料梁弹性分析的状态空间方程,将状态变量对轴向坐标的导数采用微分求积法进行求解,进而可得问题的半解析数值解．通过与现有文献及ABAQUS计算结果的比较,验证了本文方法的正确性,并对微分求积法求解本问题的收敛性进行了分析．通过数值算例研究了纤维方向角沿梁轴向的变化对丝束轴向变角度复合材料梁的位移及应力分布的影响,研究结果可为该种结构的设计提供一定的参考．     

基于小波微分求积法的薄板弯曲分析

利用小波微分求积法(WDQM)对任意荷载作用下的薄板弯曲问题进行了求解分析。数值算例表明,小波微分求积法与一般的DQ法相比具有很好的适用性,特别是薄板受集中荷载或不连续分布荷载作用时,由于小波基函数的紧支撑特性与其对突变信号良好的描述能力,WDQ法的精度明显优于一般的DQ法,具有良好的应用前景。     

微分求积法的特性及其改进

微分求积法已在科学和工程计算中得到了广泛应用。然而,有关时域微分求积法的数值稳定性、计算精度即阶数等基本特性,仍缺乏系统性的分析结论。依据微分求积法的基本原理,推导证明了微分求积法的权系数矩阵满足V-变换这一重要特性;利用微分求积法和隐式Runge-Kutta法的等值性,证明了时域微分求积法是A-稳定、s级s阶的数值方法。在此基础上,为进一步提高传统微分求积法的计算精度,利用待定系数法和Padé逼近,推导出了一类新的s级2s阶的微分求积法。数值计算对比结果验证了所提出的新微分求积法比传统的微分求积法具有更高的计算精度。     

求解固体力学问题的强?弱耦合形式单元微分法

单元微分法是一种新型强形式有限单元法. 与弱形式算法相比, 该算法直接对控制方程进行离散, 不需要用到数值积分. 因此该算法有较简单的形式, 并且其在计算系数矩阵时具有极高的效率. 但作为一种强形式算法, 单元微分法往往需要较多网格或者更高阶单元才能达到满意的计算精度. 与此同时, 对于一些包含奇异点的模型, 如在多材料界面、间断边界条件、裂纹尖端等处, 传统单元微分法往往得不到较精确的计算结果. 为了克服这些缺点, 本文提出了将伽辽金有限元法与单元微分法相结合的强?弱耦合算法, 即整体模型采用单元微分法的同时, 在奇异点附近或某些关键部件采用有限元法. 该策略在保留单元微分法高效率与简洁形式等优点的同时, 确保了求解奇异问题的精度. 在处理大规模问题时, 针对关键部件采用有限元法, 其他部件采用单元微分法, 可以在得到较精确结果的同时, 极大提高整体计算效率. 在本文中, 给出了两个典型算例, 一个是具有切口的二维问题, 一个是复杂的三维发动机问题. 针对这两个问题, 分析了该耦合算法在求二维奇异问题和三维大规模问题时的精度与效率.      

基于微分求积法的边界值方法

探究了边界值方法与微分求积法两者之间的关系。利用经典的微分求积公式,系统地构造了三类不同的边界值方法;当采用均匀网格点时,本文所导出的边界值方法与已有的边界值方法是一致的。研究结果揭示了微分求积法与边界值方法两者之间的内在关系,也建立了线性多步法与单步多级方法之间的联系。     

梁式结构受移动荷载作用非平稳随机振动的DQ-PEM方法

针对梁式结构受移动荷载作用的非平稳随机振动问题,提出了一种综合利用微分求积法和虚拟激励法DQ-PEM的新方法。梁式结构受移动荷载作用的振动控制方程为含Dirac函数的偏微分方程,利用微分求积(DQ)-积分求积法(IQ)法将其振动控制方程转化为不含Dirac函数的常微分方程。同时,将表示荷载位置变化的Dirac函数视为移动荷载的非平稳化函数,再结合虚拟激励法的思想,可得梁式结构在确定性荷载作用下的虚拟响应,进而得到其非平稳随机响应。通过工程算例验证了该方法的准确性与有效性,并进一步讨论了不同速度和不同边界条件下梁式结构受移动荷载作用的随机振动问题。     

AFL加固受损RC柱拟静力抗震实验研究

对已受损并引起承载力和抗震性能不足的在役桥梁墩柱,急需进行加固补强。为此,本文探讨采用新型纤维增强复合材料(FRP)片材——芳纶纤维薄板(AFL)加固受损钢筋混凝土(RC)桥梁墩柱及其拟静力抗震实验方法,并对AFL加固受损RC柱实施了拟静力抗震实验。研究结果表明,采用本文所示AFL加固方法可有效提高RC柱的抗剪承载力、极限位移,改善其延性变形能力和滞回耗能能力。     

基于微分求积法的逐步积分法与常用时间积分法的比较

微分求积法具有数学概念简单、精度高和计算时间少等优点,是一种不断受到重视的数值方法.目前微分求积法在方法本身的研究已经相当充分和成熟,而应用方面的研究则大多集中在边值问题的求解,本文的研究集中在采用微分求积法求解动力学初值问题方面.先介绍了一种新近提出的逐步积分方法,该方法基于一种特殊的节点分布的微分求积法.然后通过理论分析与几种常用的时间积分方法进行了稳定性、精确性和计算量的比较.最后计算了一个双质点系在强迫力下的瞬态响应.比较结果表明新近提出的逐步积分方法具有无条件稳定、高精度和计算量少的优点.     

具有初始构型的MEMS驱动器的跳跃和吸合现象研究

在曲梁变形后以弧长为参数的自然坐标系中,利用曲梁大变形分析理论,建立了具有任意初始构型的微电驱动器大变形电动力学分析的数学模型,并采用微分求积法(DQM)进行空间离散,得到了一组具有强非线性的微分-代数系统方程,运用Petzold-Gear BDF方法进行时间域内的求解。研究了MEMS驱动器在电场力作用下的瞬态动力学特性,包括跳跃(snap-through)和吸合(pull-in)现象,并与已有实验结果进行了比较。     

纤维曲线铺放的复合材料层合板的自由振动分析

假设曲线纤维的方向角沿板的长度方向按照线性规律变化,导出了纤维曲线铺设时的参考路径,将参考路径沿板的宽度方向平移可得一种曲线纤维增强复合材料单层板,当这种纤维曲线铺设的单层板对称铺放时即可得相应的曲线纤维增强复合材料层合板．基于弹性薄板的小挠度理论,建立了曲线纤维增强复合材料层合板自由振动问题的基本方程,采用微分求积法进行数值求解,得到了层合板的自振频率及相应的振型．与已有文献计算结果的比较,验证了本文计算结果的正确性．通过数值算例分析了微分求积法求解本问题时的收敛性,研究了纤维铺放路径和边界条件的不同对曲线纤维增强复合材料层合板频率及振型的影响,研究结果可为该种结构的设计提供一定的参考．