一种考虑初始垂度影响的非线性索单元

本文首先运用Mathematic的符号运算功能，通过解偏微分方程给出了不等高单索的显式解析解，然后把该解析解应用于索微元的应变计算中，在此基础上用虚功原理推导了考虑初始垂度影响的两节点非线性索单元，并给出了索单元的单刚矩阵的具体形式，通过与两节点直线索单元的单铡矩阵的形式的比较，明确了该曲线非线性索单元的修正项，并给出了垂度影响因子的变化曲线。比较直观的给出了垂度对索单元刚度各项的影响程度。该非线性索单元既有多节点索单元精度高的特点，又有节点少，刚度元素较易求解以及有限元列式简洁等特点。本文通过两个数值算例表明，本文的非线性索单元是正确的，也表明了所编制的非线性计算程序是正确和可靠的。     

一般壳体结构大位移和大应变弹塑性有限元分析与损伤力学的某些应用

离散的Kirchhoff理论三角形单元对一般壳体结构的分析是十分可靠的和有效的，本文将推广此种单元去分析壳体结构的大位移大应变弹塑性响应，校正的拉格朗日增量的Jaumann应力公式和塑性损伤相耦合的塑性流动本构关系已应用于列式中，在对带环向裂纹和环向槽受四点弯曲载荷的圆醉壳的分析中，显示了和实验结果符合一致，且说明了与塑性损伤相耦合的大应变弹塑性分析无论在宏观水平上或微观水平上都能显示比断裂力学方法更符合实际的结果。     

张力结构的非线性有限元分析

张力结构中的索结构分析通常采用非线性二节点直线或二次曲线单元，但是在大跨度结构，尤其是索弯顶结构的分析中，常用的单元已不能满足精度的要求，本文提出了考虑自重作用下有初始垂度的五结点非线性空间曲线元模型，放弃了一些特殊的假定，考虑了应变表达式中高阶量的影响，推导出了适合于弹性大位移几何非线性分析的Ｌａｇｒａｎｇｄ方程及其切线刚度矩阵，编制了相应的计算程序。     

三维退化的壳理论和假定应变的壳单元

本文将Reissner-Mindlin板理论推广到空间曲壳结构,可称为Reissner-Mindlin型壳理论。从这种理论出发,可直接导出C(0)连续的壳体单元,即考虑横向剪切变型的影向的壳体单元,这种单元在国外已被广泛地采用,为克服这种单元在应用中所出现的剪切和膜的锁制现象同时又防止出现任何零能模式,作者提出了一种采用假定应变的新的壳单元公式,并对这种单元进行了广泛的数值试验,结果表明这种单元具有较高的精度和良好的性能。     

轴对称壳体子单元弹塑性分析

在壳体的弹塑性分析中。当壳体的材料从某一个表面开始进入塑性变形范围时,应力和应力-应变关系沿壳体厚度不再成线性变化,因而不能由显式得到应力沿壳厚的积分值,必须在有限单元法计算中应用数值积分。本文在以直母线锥形单元离散轴对称壳体结构的前提下,进一步以子单元离散锥形单元,使得原来一个必须用三维屈服曲面描述的弹塑性问题能以二维屈服曲面来表征。 本文取用了Prandtle-Ruess塑性坛量理论的等向强化Mises屈服准则的本构方程。非线性结构平衡方程以载荷坛量切线模量法求解。为提高解方程的精度,本文应用了-阶自修正技巧。 为验证理论计算的精度和可靠性,本文把理论计算结果与加劲圆柱壳型性试验值作了比较,两者结果相当一致。     

复合材料结构的内部分层及其扩展

本文用接触观点分析了复合材料壳体结构的内部分层问题，建立了求解摩擦接触问题的有限元迭代格式，并采用释放率判据分析分层裂纹的扩展。分层裂纹前缘采用轴对称奇异单元，并了结构的大变形特性。计算表明，层间裂纹呈Ⅱ型扩展趋势。本文同时还分析了层间摩擦系数的影响，并指出分层将导致壳体结构承载能力显著下降。     

一种求解层合圆柱壳的杂交应力单元

根据修正的余能原理，推导出一种求解复合材料层合圆柱壳的杂交应力单元。取用六面体等参单元，此单元反映了各层材料性质不同及应力分布沿整个厚度不连续现象，同时计入横向剪切变形和法向挤压变形，适用于厚层壳体。文章通过实例说明此单元能准确求出各层内的应力值，实用价值高。     

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。     

基于细长梁单元的悬索桥主缆线形分析

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。     

ANCF索梁单元应变耦合问题与模型解耦

索粱结构在土木工程、航空航天等领域有着广泛的应用.在各类索梁动力学建模方法中,由于绝对节点坐标方法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)能够描述柔性体的大变形和大转动问题,因此非常适合大变形索梁结构的动力学建模.对绝对节点坐标索梁单元的应变进行分析可知,弯曲变形会引起单元内部轴向应变的不均匀分布,即单元轴向应变与弯曲应变相互耦合.这种应变耦合效应使单元产生伪应变能,导致单元刚度增大,造成单元失真.分析不同弯曲角下的单元应变及应变能可知,弯曲变形越大,单元失真越严重.通过构造等效一维杆单元重新描述轴向应变,实现了轴向应变与弯曲应变解耦.在此基础上推导广义弹性力,得到了绝对节点坐标索梁单元的应变解耦模型.对解耦前后的两种梁模型进行静力学和动力学仿真,结果表明;解耦模型消除了单元伪应变,相比原模型表现出更好的收敛性和曲率连续性,在相同单元数目下具有更高的精度.同时由于解耦模型降低了单元刚度,因此相比原模型,速度曲线中不再有高频振动.     

适用于壳体h型自适应有限元分析的一组新单元

推导出一组适用于h型自适应分析的四边形蜕化壳元。对于大多数壳体结构,壳单元的刚度矩阵可分为薄膜、弯曲和剪切三部分。对薄膜部分本文采用杂交应力元方法进行设计,独立假设薄膜应力场以改善其精度;弯曲部分的刚度矩阵则依然由基于位移的应变来获得;而剪切部分则采用假设自然应变的方法来获得能克服薄壳下剪切自锁的新剪应变并用于计算此部...     

弹塑性板壳结构非线性有限元分析

本文根据塑性流动理论的基本公式，由隐式积分导出了与路径无关的变量更新算法和一致切线模量。采用单元广义应力应变直接离散塑性流动定律，构造了杂交应力单元一致切线刚度矩阵的显式表达式，编制了结构有限元程序ＳＡＦＥ，数值算例表明：本文的计算方法和计算程序是正确可靠的，可用于弹塑性板壳结构的非线性分析，计算结果屈曲临界载荷和极限承载能力。     

基于渐近传递函数解的截锥壳单元

普通截锥壳单元是分析旋转壳结构的常用单元,但应力计算的精度较差;而渐近传递函数解在圆锥壳的应力分析方面具有很高的计算精度。本文针对一般截锥壳单元应力计算精度不高的缺点,将传递函数法与有限元法进行结合,以圆锥壳的渐近传递函数解为插值函数,直接构造了一种高精度的截锥壳单元,该单元位移插值模式满足相容性和完备性要求,并具有力学概念清楚、计算精度高等特点。数值算例表明,采用该单元进行圆锥壳的内力和自由振动     

基于拟应变法的壳单元大变形分析及在冲击动力问题中的应用

为了简便有效地解决板壳结构的大变形问题，本文针对八节点相对自由度壳单元进行研究。该单元的位移场由壳的中面节点位移和上表面节点的相对位移组成，不带有转动变量。所有的研究都是基于完全的三维位移、应力、应变场。采用拟应变法，对应变场另行假设，能够改善该单元在大变形情况下的计算精度。通过引入Wilson非协调模式，构造了大变形情况下的拟应变场表达式，给出了该单元用于解决非线性动力分析问题的有限元求解方程。通过算例表明，本文针对相对自由度壳单元提出的方法及推导的公式，能够解决冲击动力问题中的大变形问题。     

板壳问题的三维无网格伽辽金直接分析法

对于板壳问题,共有三种数值模拟方案:线性或非线性的板壳理论、退化连续体方案和直接三维连续体方案。无网格法近似函数可具有C1甚至更高的连续性,便于在K irchhoff-Love理论中应用。但当各种无网格法用于M ind lin-R e issner板理论时,会遇到数值锁死的困扰。对比之下,三维连续体方案是最简单,最精确但并不常用的一种方案。无网格法近似函数具有高度光滑性,在板壳的厚度方向仅布置2~5层点就可以很好地捕捉此方向场的梯度,同时还可以在一定参数范围内避免剪切和体积锁死,在处理复杂本构关系、非线性板壳等问题中更是具有很大优势。本文采用无网格伽辽金法(EFG)和三维连续体方案分析了线性板壳问题,与有限单元法做了对比,并讨论了数值锁死等问题。     

带有沙漏控制的相对自由度壳元非线性动力分析

针对八节点相对自由度壳单元，给出了单元内坐标和位移的插值公式，利用HuWashinzu变分原理，基于拟应变法，在大变形情况下推导了拟应变的表达式，构造了带有沙漏控制的动力问题的有限元求解格式。通过算例表明该文提出的基于相对自由度壳元的沙漏控制算法能够很好地解决非线性动力问题，可改善计算精度和计算效率。     

Three dimensional degenerated shell theory and assumed strain shell elements

In this paper Reissner-Mindlin plate theory is extended to cater for curved shell structures. It can be considered as Reissner-Mindlin type shell theory. From this theory, the C(O) continuity formulation of shell elements of taking account the transverse shear deformation could be derived directly. These degenerated shell elements have been widely employed. To overcome the locking of shear and membrane and avoid zero energy modes the author proposed the formulation of the new elements with assumed strains. A wide range of numerical tests was conducted and the results illustrate that the assumed strain elements possess high accuracy and good performance.     

Geometrically non-linear analysis of arbitrary elastic supported plates and shells using an element-based Lagrangian shell element

In the present paper, the ELF (element-based Lagrangian formulation) 9-node ANS (assumed natural strain) shell element was combined with the spring element for geometrically non-linear analysis of plates and shells sustained by arbitrary elastic edge supports that are subjected to variation in loading.This particular spring element serves as tool for modeling an arbitrary elastic edge support with 6 DOF (degrees of freedom). The elastic edge support was modeled by combining different spring models. The ANS method was used to overcome shear and membrane locking problems inherent in some thin plate and shell problems. In the formulation of the ELF characteristic arrays, the expression of element strains was adopted in the framework of the element natural coordinates. The non-linear analysis results of idealized edge supports were validated against the reference solutions available in the literature. As a result of the numerical test, the combination of the ELF 9-node shell element and spring element shows an exceptional performance for non-linear analysis of plates and shells under elastic edge supports.     

Size dependent response of large shell elements under in-plane tensile loading

Large-scale thin-walled structures with a low weight-to-stiffness ratio provide the means for cost and energy efficiency in structural design. However, the design of such structures for crash and impact resistance requires reliable FE simulations. Large shell elements are used in those simulations. Simulations require the knowledge of the true stress–strain response of the material until fracture initiation. Because of the size effects, local material relation determined with experiments is not applicable to large shell elements. Therefore, a numerical method is outlined to determine the effect of element size on the macroscopic response of large structural shell elements until fracture initiation. Macroscopic response is determined by introducing averaging unit into the numerical model over which volume averaged equivalent stress and plastic strain are evaluated. Three different stress states are considered in this investigation: uniaxial, plane strain and equi-biaxial tension. The results demonstrate that fracture strain is highly sensitive to size effects in uniaxial tension whereas in plane strain or equi-biaxial tension size effects are much weaker. In uniaxial and plane strain tension the fracture strain for large shell elements approaches the Swift diffuse necking condition.