面向对象的有限元程序设计

本文按照面向对象的程序设计方法,遵循有限元分析的本质,采用Ｃ＋＋语言,建立了有关描述有限元模型的类,给出了类的描述和它的实现方法。相关的类和方法包括处理矩阵的类、节点类、单元类、材料类、形函数类等。据此编制了有限元分析的数值计算程序,并给出了一个实例。     

张拉结构非线性分析的五节点等参单元

本文针对张拉结构的特点，提出了一种五节点等参数单元有限元模型，采用四次多项式作为位移插值函数及单元初始形状函数，并假定索是理想柔性的且满足虎克定律，基于修正的Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ坐标描述法，建立了非线性有限元基本方程和切线刚度矩阵，利用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法进行了实例计算。结果表明：本文方法精度极高，可供大跨度索网，索穹顶，拉线塔等张拉结构分析，设计时采用。     

钢筋混凝土联肢剪力墙的非线性有限元分析

本文推导了一种带转动自由度的四节点狭长矩形墙板单元与一种分层高精度二节点厚梁单元,二者的组合既合理地描述了联肢剪力墙墙体与连梁的连续性,又具有计算精度高,计算量少的特点。为分析钢筋混凝土的非线性,本文采用应变硬化的弹塑性应力应变关系描述受压混凝土及钢筋,用线弹性应力应变关系描述受拉混凝土,混凝土开裂后的非线性现象则以一些经验公式给予反映。算例表明,本文建立的有限元计算模型用于钢筋混凝土联肢剪力墙的加载全过程分析是合理的,并且计算效率高。     

模拟火炮后坐运动的非线性弹簧－阻尼单元

根据非线性有限元法的基本理论，建立了火炮发射动力学的有限元运动方程，推导出单元耗散为向量和单元阻尼矩阵的计算公式。提出采用非线性弹簧－阻尼单元来模拟反后坐装置对炮身后坐的阻尼作用，并给出了该单元的刚度矩阵和阻尼矩阵。根据炮身的后坐过程的三个阶段，提出采用分段拟合的方法确定非线性单元的参数以模拟火炮后坐阻力－位移曲线。采用非线性有限元单元模拟后坐装置，能够较准确地描述炮身部分的后坐运动，同时在大简化了全炮模型的建立，为全炮的动力学仿真提出了一条新的思路。     

面向对象有限元程序的类设计

传统有限元程序设计中的许多问题可以通过面向对象程序设计方法加以解决。本文介绍了我们尝试采用ＢｏｒｌａｎｄＣ＋＋２．０进行的一种面向对象有限元程序设计，着重进行有限元程序的类划分与定义，并将几个典型的类设计成类等级。面向对象语言的继承性、封装性、多态性等特性在我们的程序设计中均得到了运用。与传统的有限元程序（通常采用Ｆｏｒｔｒａｎ）相比，面向对象有限元程序更加结构化、更易于编写、更易于维护和扩充，程序代码的可重用成分更大，它为开发大型有限元分析软件提供了一条新途径     

基于欧拉描述的两节点索单元非线性有限元法

本文针对柔性悬索结构几何非线性分析的特点,提出了一种用欧拉描述来表示的两节点索单元非线性有限元模型,在索元变形后的位置上由虚功能建立了非线有限元基本方程及切线刚度矩阵。这样建立的非线性有限元分析方法可充分考虑拉索的几何非线性特性的影响并给悬索结构的初始平衡分析带来方便,算例结果表明,本文方法是精确有效的。     

基于SiPESC平台的弹塑性分析的软件框架

基于开放式结构有限元分析软件系统SiPESC.FEMS,针对弹塑性非线性有限元分析理论与流程,采用工厂模式和构造器模式等经典软件设计模式,提出了一种基于面向对象设计方法的通用小变形率无关弹塑性分析软件框架。该框架利用算法与数据模型分离的思想,通过抽象出数据模型类、算法类和算法参数类,支持各功能模块的动态替换和组装,具备开放性和可扩展性。同时,基于SiPESC平台工程数据库的数据管理能力,实现了弹塑性分析中产生的大量历史数据以统一的接口与管理方式进行存取,为大规模问题的求解提供了高效、稳定的支撑。通过多类型实体单元、多类本构模型和多种规模的计算实例,验证了该计算框架在弹塑性有限元程序开发中的通用性、有效性和灵活性。     

钢筋混凝土壳体的非线性分析

本文采用有限元数值方法，分析计算了大型钢筋混凝土壳的几何、物理非线性静力问题，对非线性方程组的求解，文中提出了一种将载荷增量和位移增量相结合的合理方法，保证了在临界点附近迭代法的收敛性，最后，文中通过对实际双曲冷却塔壳的分析，得到了一些对实际工程设计具有指导意义的有益结论。     

基于单弹簧联结单元法的钢筋混凝土梁损伤模拟

钢筋混凝土梁的损伤模拟的重难点在于描述两种材料非线性的本构关系以及钢筋混凝土粘结滑移关系非线性的描述,采用单弹簧联结单元法模拟钢筋和混凝土相互作用,结合混凝土四参数损伤模型,模拟钢筋混凝土结构多轴应力状态下从开始加载到结构破坏的全过程。数值算例不仅体现该方法的有效性,也具有重要的工程实践意义。     

考虑支承的大跨度索膜结构整体分析与设计

基于修正的拉格朗日法,建立非线性有限元平衡方程,介绍了空间梁单元非线性刚度矩阵。针对此类结构在形态分析及设计中的难点问题,提出利用定力单元、定形单元和微调单元建立数值模型。采用AutoCAD二次开发工具ObjectARX编制有限元软件,能够进行考虑支承的大跨度索膜结构整体分析与设计。以芜湖体育场为工程背景,进行了形态分析和长期荷载组合下的反应。计算结果表明,本文所提方法和有限元软件显著地提高了设计工作的效率,并能准确地获得满足设计要求的结构初始形态及受力分析数据,便于实际工程的设计应用。     

面向对象的无单元法

介绍了一种用C 进行的面向对象无单元方法程序设计;定义了一些关键的类并将有些类设计成类等级,从而建立了包含权函数、基函数和形函数在内的面向对象无单元法程序类库,在此过程中考虑了无单元法与有限元法的某些联系,保留并重用了面向对象有限元法程序中的一些类。本文提供了一种无单元法大型分析软件开发新途径。     

基于有限单元柔度法的材料与几何双重非线性空间梁柱单元

从有限单元柔度法的基本思想出发,基于完全拉格朗日格式(TL格式),建立了能考虑材料与几何双重非线性的一般化空间梁柱单元,适用于满足Euler-Bernoulli梁柱二阶分析理论假定的空间杆系结构非线性分析。另外,在梁柱单元截面分析中引入纤维模型,使其适用于解决钢筋混凝土这类复合材料结构的非线性分析问题。对钢筋混凝土双向偏心受压柱试验结果的模拟分析表明,本文所提方法是正确、可靠的,能有效地分析钢筋混凝土框架柱的材料与几何双重非线性问题。     

A smeared / layered reinforced concrete model for finite element analysis

A new reinforced concrete model, in which the reinforcement steel is assumed as smeared / layered in concrete, is established and installed into a currently used finite element code for nonlinear analysis. It performs the nonlinear behaviors of both concrete and the reinforcement steel. The results of examples are in good agreement with the experimental data.     

可视化杆系结构分析程序设计

利用可视化编程语言将杆系优化计算封装为动态连接库 (DLL) ,采用面向对象的方法描述了杆系结构分析所需的类 ,并用数据库技术和三维图形模式对杆系结构分析进行格式化输入输出。通过对杆系结构的特点分析 ,将程序分为三个主要的设计模块 :显示模块、数据管理模块和结构分析模块 ,实现了程序的模块化设计。通过对实例的测试 ,说明该程序已达到对一般多工况杆系可视化设计的目的     

金华山软岩铁路隧道施工过程围岩屈服接近度分析

隧道施工过程中围岩处于复杂应力状态下,隧道围岩屈服区演化特征的确定对于围岩稳定性分析和开挖支护方案优化具有重要的意义。采用屈服接近度指标衡量围岩破坏接近程度可以合理地描述复杂应力状态下围岩的应力危险性,对Mohr-Coulomb类岩体材料的屈服接近度函数进行了相应的推导,并在非线性有限元用户子程序上编程予以实现。介绍了赣州-龙岩铁路DKl33+095～DKl38+237段软弱围岩单线隧道正台阶步施工方案以及湿喷纤维混凝土支护方案。为了对该隧道施工过程中隧道围岩屈服区的演化特征进行合理评价,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道施工过程进行了数值模拟,分析了施工过程中隧道围岩屈服接近度分布特征,判定了隧道台阶步施工过程中隧道围岩的稳定性。分析结果表明:该隧道施工过程中围岩破坏区主要发生在下台阶步施工过程中;屈服接近度指标比传统的塑性区分布提供的信息更加丰富,有利于工程技术人员定量地评价隧道开挖支护方案。     

Analytical approach for the earthquake performance evaluation of repaired/retrofitted RC bridge piers using time-dependent element

In order to evaluate the seismic performance of damaged reinforced concrete members, particularly bridge piers, an inelastic time-dependent element is proposed. The proposed element enables increased characteristics due to structural intervention (i.e., repair or retrofitting) to be accurately reflected in the degraded strength and stiffness of the members. The inelastic time-dependent element having both birth and death times can freely be activated within the user-defined time intervals of interest during static and dynamic time-history analyses. Comparative studies are carried out for reinforced concrete bridge columns that are repaired and retrofitted. Analytical predictions incorporating the developed element show reasonable correlation with experimental results. Also conducted is a nonlinear time-history analysis of a reinforced concrete bridge under multiple earthquakes. Comparative analytical results confirm the applicability and effectiveness of the current development. It is thus expected that the present element is capable of providing salient features for the healthy evaluation of seismic performance of reinforced concrete members being repaired and retrofitted.     

A multi-fiber approach for modeling corroded reinforced concrete structures

Taking into account the specific behavior of the steel/concrete interface is of primary importance to predict properly the structural response of RC structures. Several constitutive models have been proposed in the literature within the framework of nonlinear finite element method (2D and 3D). Such approaches usually lead to high computational costs due to the large number of degrees of freedom. In the present paper, a multifiber-based model including the steel/concrete interface behavior is proposed. Despite the fact that the kinematics of the multi-fiber approach is based on the theory of beams, this simplified strategy accounts for local phenomena such as the relative sliding between concrete and steel. Furthermore, this steel/concrete interface constitutive model can be extended to model the loss of bond properties due to corrosion. The numerical implementation aspects are described and local responses at the Gauss point level are exposed in the cases of monotonic loadings with and without corrosion. The efficiency and the reliability of the proposed approach are tested on structural case studies which highlight a good agreement between numerical and experimental results. This multifiber-based model provides a pertinent tool for the engineers concerns with the structural assessment of degraded reinforced concrete structures.     

Finite element analysis of interfacial stresses in FRP–RC hybrid beams

The interfacial stresses in fiber reinforced plastic (FRP)–reinforced concrete (RC) hybrid beams were studied by the finite element method. The mesh sensitivity test shows that the finite element results for interfacial stresses are not sensitive to the finite element mesh. The finite element analysis then is used to calculate the interfacial stress distribution and evaluate the effect of the structural parameters on the interfacial behavior. It is shown that both the normal and shear stresses at the interface are influenced by the material and geometry parameters of the composite beam. This research is helpful for the understanding on mechanical behavior of the interface and design of the FRP–RC hybrid structures.     

既有RC拱肋基于全过程刚度变化规律的承载能力预测

基于结构力学中的矩阵位移法,提出了一种利用节点位移参数来反推拱肋区段刚度的计算方法。算例验证该方法在只利用部分节点位移参数时依然具有较高的精度。然后考虑不同的加载模式和损伤模式,采用该方法对借助非线性有限元分析技术和试验手段获得的既有钢筋混凝土拱肋加载过程中的节点位移值进行了分析,证实了既有拱肋的区段刚度具有较大幅度的波动变化特性。基于拱肋区段的变化规律,研究了既有拱肋破坏过程中节点竖向刚度值的变化趋势。结果表明,既有拱肋的节点竖向刚度变化规律与区段刚度较为一致。在此研究基础上,提出了一种适用于既有钢筋混凝土拱肋的承载能力评估方法。实例分析表明,该评估方法具有较高的精度。