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ANSYS二次开发的几何非线性平面梁单元

共旋坐标法(C.R法)具有在局部坐标系考虑材料非线性,通过局部坐标系与结构坐标系之间内力和切线刚度矩阵的转换矩阵来考虑几何非线性,从而实现两种非线性脱耦的优点,C.R法相对于其它非线性有限元列式而言较少运用于商业程序。本文利用ANSYS平台提供的单元二次开发工具——用户可编程特性(UPFs),开发了基于C.R法的几何非线性平面梁单元,给出了详细的算法及流程,通过多个算例对本文算法及程序进行了验证。研究表明:该方法能有效利用共旋法非线性单元和ANSYS商业程序的优点,对于方框架在对边中点受一对集中力的算例1,采用二次开发的用户梁单元与beam3梁单元在每个荷载步下收敛所需的迭代次数分别为3次和6次;对于预应力钢筋混凝土悬臂梁发生大变形的算例2,上述两种单元模型进行非线性计算能收敛的预应力加载系数分别为132和128,可知本文基于共旋法得到的ANSYS二次开发用户梁单元提高了非线性计算的效率和能力,可用于平面梁结构的几何非线性分析。     

预应力混凝土平面杆系结构的有限元方法

建立了基于有限元方法的考虑材料和几何非线性的任意截面预应力混凝土平面杆系结构的数值分析模型,可用于模拟预应力混凝土大跨度梁、单向偏压细长柱等的非线性全过程结构响应。引入修正的Rodriguez截面模型确定截面切线刚度,其中混凝土的贡献通过截面边界顶点定义的梯形单元来实现;在此基础上利用传统的平面非线性杆单元导出了标准有限元公式。通过两个算例验证了该模型的可靠性和适用性。     

变截面Timoshenko梁的单元刚度矩阵

变截面构件在工程中应用广泛,在对变截面梁进行数值计算时,需要建立变截面梁单元的刚度矩阵。该文采用势能驻值原理,考虑了轴力引起的几何非线性和剪切变形的影响,将梁截面刚度的变化率作为小量,得到了近似到二阶的单元刚度矩阵。在构造位移模式时,从梁的微分平衡方程出发,得到同样近似到二阶、分别以三次和五次多项式表示的剪切和弯曲位移模式。该文还证明了单元刚度矩阵的奇异性,给出了轴压刚度的表达式,定量论证了与某些精确解的误差,表明在一定范围内,该文的结果具有足够的精度。最后以一个计算实例说明该文的单元刚度矩阵具有较快的收敛性。     

基于初弯曲单元的某弦支穹顶非线性稳定承载力分析

在单元的随动坐标系下,建立了初始弯曲对杆单元轴向刚度影响的计算公式,导出了考虑初始弯曲的非线性杆单元刚度矩阵;从经典的梁-柱理论出发,给出了考虑初始弯曲的非线性空间梁单元切线刚度矩阵推导过程。将建立的初始弯曲单元应用于弦支穹顶结构算例的非线性稳定承载力分析,研究了杆件初始弯曲对结构整体非线性稳定性能的影响,结果表明,杆件初始弯曲的存在会降低结构的整体刚度和极限承载力,而在不同的初始预应力状态下,极限荷载随初始弯曲增加都基本呈线性下降,并且其关系曲线基本平行。本文建立的基于初弯曲单元的非线性分析方法,可推广应用于各种类型空间网格结构的非线性分析,为结构设计方案的选择提供更为科学的依据。     

带刚臂平面悬链线索单元的非线性分析

针对索梁混合结构中存在的索单元锚固点刚性连接问题,将锚固点的刚性连接视为刚臂,进行了带刚臂的平面悬链线索单元研究。一方面在已有文献的基础上,根据平面刚臂的受力和变形特点,基于微分方法导出了两端带任意刚臂的平面悬链线索单元切线刚度矩阵显式表达式;另一方面,为考虑温度变化对索单元计算的影响,基于索单元变形的几何与物理意义进行了考虑温度变化的索单元节点力计算方法的研究。通过与已有文献的对比,表明了本文研制的程序及导出的考虑温度变化的索单元计算方法的正确性;考虑温度变化下由本文方法得到的索水平张力与已有文献解析解最大仅相差0.862%。同时本文考虑的刚臂非线性因素更加全面,具体体现在:在非线性计算能力上,已有文献方法在荷载大于2.52kN时计算无法收敛,远小于本文方法能达到的35kN;在计算效率方面,在7个荷载增量步内已有文献方法所需的迭代步数为4~33,而本文方法的迭代步数保持在4不变。     

钢管初应力对钢管砼拱桥承载力影响非线性分析

基于非线性问题的平衡方程和空间梁单元非线性几何方程,推导了一般线弹性关系下计入初应力影响的空间梁单元显式切线刚度矩阵。针对钢管混凝土哑铃型截面的构造特点,提出了组合空间梁单元法,较好解决了哑铃型截面钢管初应力的计算与存储问题,并给出了承载力分析时单元划分的具体方法,编制了专用计算程序,计算结果与试验吻合良好。开展了不同钢管初应力系数、不同截面含钢率和不同跨径对钢管混凝土拱桥承载力的影响分析。结果表明,钢管初应力将使钢管混凝土拱桥的承载力降低,降低幅度与拱肋截面型式有关,承载力最大降低值可超过30%。最后给出了三种考虑钢管初应力影响的常用拱肋截面型式拱桥承载力影响系数实用计算公式。     

加权残值法在钢筋混凝土拱桥非线性有限元分析中的应用

本文用圆弧梁离散拱肋;用圆柱拖带坐标、三次位移插值函数及平截面假定来描述单元位形;用加权残值配点法来消除曲梁单元的剪力与膜力闭锁。按基于连续介质力学的Ｕ．Ｌ．列式建立单元增量平衡方程,以考虑几何非线性。假定钢筋为理想弹塑性材料。按三参数各向同性强化塑性模型,建立混凝土的弹塑性本构矩阵。将拱单元分段分块,根据钢筋及砼的本构特性,建立拱单元及梁段单元的弹塑性刚度矩阵,以考虑材料非线性。用编制的程序对两座模型拱桥进行计算,计算结果与模型测试结果接近     

加权残值法在钢筋混凝土拱桥非线笥有限元分析中的应用

本文用圆弧梁离散拱肋：用圆柱拖带坐标、三次位移插值函数及平截面假定来描述单元位表;用加权残值配点法来消除曲梁单元的剪力与膜力闭锁。按基于连续介质力学的Ｕ．Ｌ．列式建立单元增量平衡方程,以考虑几何非线性。假定钢筋为理想弹塑性材料。按三参数各向同性强化性模型,建立混凝土的弹塑性本构矩阵。将拱单元分段分块,根据钢筋及砼的本绝特性,建立及梁段单元的间塑性刚度矩阵,以考虑材料非线性。用编制的程序对两座模型拱     

空间杆系结构实用几何非线性分析

从简单实用的角度论述了空间杆系结构的几何非线性分析方法。文中分析了非线性有限元方法的求解过程,特别强调决定几何非线性收敛结果的关键问题,即由节点位移增量计算单元的内力增量。通过引入转随转坐标系,论述了平面和空间梁单元小应变时单元内力增量的计算问题。针对杆系结构的大应变问题,从有限应变理论出发进行分析,提出了对该问题的有效处理方法,并且用实例进行了验证。计算结果表明,该实用几何非线性分析方法是可靠和有效的。     

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。     

用多微段变刚度杆单元分析钢筋混凝土斜拉桥的非线性地震响应

预先确定斜拉桥的弹塑性区域,把包含多微段平面变刚度梁单元推广应用于大跨度斜拉桥的非线性地震响应分析,用微段的刚度变化模拟钢筋混凝土的弹塑性性能,对双塔单索面钢筋混凝土斜拉桥进行了考虑几何非线性和材料非线性的地震响应分析,编制了相应的弹塑性分析程序,并与Huges单元分析结果进行了比较。结果表明:本文方法能较好地模拟在强震作用下钢筋混凝土斜拉桥的非线性性能,可以在大跨斜拉桥的非线性地震响应分析中应用。     

基于旋转软化的柔性梁动力学研究

建立了旋转柔性梁的非线性动力学模型,利用能量法及哈密顿原理导出了耦合的动力学方程,分析了转动惯性、Coriolis力、应力刚化、旋转软化、加速度、横向位移、弯曲刚度等作用效应;通过设置应力刚化及旋转软化等刚度矩阵和编制有限元程序,建立了梁单元有限元模型,对柔性梁在旋转软化状态下的振动模态进行了数值模拟与分析。计算表明:梁的旋转软化导致其沿旋转平面的弯振模态(摆振)频率随转速增大而相对下降,且对第一阶摆振频率的影响最显著,呈现非线性;梁的旋转软化对垂直于旋转平面的弯振频率几乎没有影响,此结果表明了旋转柔性梁动态特性的复杂性,因此在计算旋转柔性梁的振动特性时,必须同时设置平动、转动惯性质量矩阵,才能获得准确结果。此外,梁单元模型与实体单元模型计算结果误差小于等于5%,验证了本文梁单元模型求解方法的准确性。     

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     

波纹形曲拱的几何非线性有限元解

波纹形曲拱具有复杂的几何形状,它在外载作用下的位移响应为非线性,用几何非线性有限元求解该类问题是适宜的。为此,本文以弹性范围内,按应变与转动的平方同量级的假定,推导了平面梁单元几何非线性刚度矩阵,并编制了相应的平面梁系直接迭代法计算程序。应用该程序,本文对波纹形曲拱作了位移和应力计算,结果与试验数据作了比较,两者是接近的。     

火灾下混凝土结构破坏模拟的纤维梁单元模型

为分析和模拟结构构件在火灾下的失效破坏过程,本文基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元模型,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型.此模型将构件截面划分成多个纤维,从而可以模拟构件截面的不均匀温度场分布以及高温下混凝土材料的开裂、压碎和钢筋屈服等行为.并根据全拉格朗日描述方法,推导了纤维梁单元的切线刚度矩阵,建立了纤维梁单元的增量求解方程.最后,将本文模型的模拟结果和多个具体试验结果进行了分析比较,进一步验证了模型的可靠性.     

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。     

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。     

刚接与铰接混合连接杆系结构的几何非线性分析

本文提出用子结构原理解决具有刚接与铰接混合连接空间杆系结构的几何非线性分析,实现其非线性稳定性分析的载荷-位移全过程跟踪。该法无须单独推导刚接、铰接以及一端刚接一端铰接单元的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵,而可以直接由空间梁单元退化得到,而且可以将平面问题与空间问题、刚接与铰接混合连接体系进行统一处理,算例表明,本文方法对于杆系结构的统一和整体分析是有效的。     

高层框筒和筒中筒结构的整体稳定分析

本文将有限元法用于高层筒 体结构的整体稳定分析。导出了截面含双对称轴的矩形筒的筒单元刚度矩阵和单元几何刚度矩阵。可用于框筒和筒中筒结构的整体稳定计算。计算结果验证了本文方法的精度。