基于能量优化的桁架几何非线性问题力密度法

力密度法最初是求解膜结构找形问题的方法,经发展可用于计算桁架结构的几何非线性问题。本文应用力密度法建立结构变形后的非线性平衡方程及相应的雅可比矩阵,用于迭代求解;从能量原理出发,推导出杆单元应变能、外荷载势能、结构总势能在每次迭代位移方向上关于步长λ的显式列式。相对于固定步长的牛顿法,本文将最优迭代步长λ引入求解,使结构在每次迭代位移方向上均达到总势能最小。经桁架算例验证,表明该方法可加快计算收敛进程。     

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。     

桁架结构几何大变形分析的精确方法

以往对桁架结构的大变形非线性分析,都是应用最小势能原理建立关于节点位移的非线性联立平衡方程,求解的工作量大,尤其对多自由度的大型复杂桁架更为突出.为了克服这个困难,本文采用两步交替迭代线性逐步逼近法,使平衡状态与变形状态协调统一,建立并求出变形后的平衡方程及其解.第一步,由已知杆件内力建立计算节点位移的连续方程并求解;第二步,由已知节点位移建立计算杆件内力的平衡方程并求解.通过多次迭代求得平衡状态与变形状态协调统一的非线性大变形分析的精确解.若干例题计算证明,本法是有效、精确的.尤其是对几何大变形桁架结构的优化设计,可将结构分析的迭代过程与优化过程相结合,省去了多次结构重分析的迭代过程,只在一次结构分析的迭代过程中即可完成优化设计,大大节省了时间.本法对扁桁架尤其有用.     

用等效力系变换矩阵求解静不定桁架极限载荷

采用等效力系变换矩阵研究了双模量静不定桁架极限载荷问题．首先证明了固体的等效力系变换矩阵与等效位移变换矩阵是互为转置的矩阵,采用等效力系变换矩阵求解双模量静不定桁架结构的内力,然后再利用静力方程确定双模量静不定桁架结构的极限载荷．当力的变换关系可以根据物理条件容易求得,而位移的变换关系不容易找出时,用等效力系变换矩阵求解静不定桁架极限载荷,就更能显示出其计算过程简洁、清晰等优点．用等效力系变换矩阵求解静不定桁架极限载荷不涉及材料的性质,对各向同性材料、双模量材料静不定桁架极限载荷的求解都适用．     

基于改进残余力向量法的桁架结构损伤诊断

提出一种基于改进残余力向量法的桁架结构损伤诊断方法. 先由灵敏度分析, 求出结构刚度联系矩阵,再由刚度联系矩阵将损伤后的刚度摄动矩阵展开成对角矩阵,代入 残余力向量方程,得到由刚度联系矩阵表示的新的残余力向量方程,此方程可以直接求解, 即可诊断出桁架结构的损伤杆件及其损伤程度. 对于实测中难以获得完备振型的情况,采用 模态扩阶的方法来获得完备的测试振型. 最后以一桁架结构进行数值仿真分析,证实了该方 法的有效性.     

空间展开折叠桁架结构动力学分析研究

本文以笛卡尔坐标系下节点自然坐标为未知量,建立了桁架结构系的基本运动力学方程,并首次推导出桁架结构中常用节点附加几何约束方程,相应约束Jacobi矩阵及其导数矩阵,采用奇异值分解法求约束Jacobi矩阵的零空间基和M-P广义逆,并由矩阵缩减法建立了带约束桁架体系的运动力学方程和求解方法。数值算例表明该方法适于可展折叠桁架结构运动力学分析。     

开口薄壁杆件结构稳定分析的精确单元和两步求解算法

从控制微分方程的通解出发,构造受偏心压力作用开口薄壁杆件的精确形函数,建立用于开口薄壁杆件结构稳定性分析的精确有限元,得到了单元刚度矩阵和几何刚度矩阵的显式表达,提出了计算给定区间内各阶临界荷载以及相应失稳模态的两步计算方法。计算结果表明,与常规单元相比,采用精确单元无需进行网格细分就可以获得精确的数值结果,结合本文的两步求解算法,可以准确获得给定区间内全部临界荷载和失稳模态。     

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。     

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。     

水下锚索动力响应分析及索力识别方法研究

海洋资源和海洋空间的开发利用是21世纪人类发展海洋的两大主题. 锚索作为海洋装备和深海建筑的重要承力和锚固构件, 其损伤和破坏将直接影响整个结构的安全性和耐久性, 因此有必要对锚索的服役期状态进行实时监测和评估. 索力是反映锚索静动力学特性的重要物理量, 掌握索力的实时变化情况对于锚索的健康监测及状态评估具有重要意义. 现有研究通常在张紧弦或简支梁模型的基础上, 采用修正索力公式或智能优化算法来识别索力, 未能充分考虑垂度引起的几何非线性影响. 为了在理论上给出物理意义更加明确、识别精度更高的锚索索力识别公式, 针对水下锚索的几何非线性及阻尼非线性特点, 首先利用等效线性化技术, 推导了锚索自由振动频率和响应的摄动解, 给出了考虑锚索垂度的频率解析表达式; 在此基础上给出了基于振动法的索力识别方案; 数值案例表明本文方法识别结果与真实值一致, 从而验证了本文方法的准确性. 相关理论和结论能够为此类工程结构的动力分析和健康监测提供理论依据.      

Nonlinear thickness-shear vibration of an infinite piezoelectric plate with flexoelectricity based on the method of multiple scales

This paper presents a nonlinear thickness-shear vibration model for onedimensional infinite piezoelectric plate with flexoelectricity and geometric nonlinearity. The constitutive equations with flexoelectricity and governing equations are derived from the Gibbs energy density function and variational principle. The displacement adopted here is assumed to be antisymmetric through the thickness due to the thickness-shear vibration mode. Only the shear strain gradient through the thickness is considered in the present model. With geometric nonlinearity, the governing equations are converted into differential equations as the function of time by the Galerkin method. The method of multiple scales is employed to obtain the solution to the nonlinear governing equation with first order approximation. Numerical results show that the nonlinear thickness-shear vibration of piezoelectric plate is size dependent, and the flexoelectric effect has significant influence on the nonlinear thickness-shear vibration frequencies of micro-size thin plates. The geometric nonlinearity also affects the thickness-shear vibration frequencies greatly. The results show that flexoelectricity and geometric nonlinearity cannot be ignored in design of accurate high-frequency piezoelectric devices.     

形状记忆合金结构拓扑优化设计方法研究

形状记忆合金由于其优良的力学特性得到了广泛关注,并形成了一系列具有变革性的创新应用.为了充分提升形状记忆合金结构的力学性能,提出了一种基于实体各向同性材料惩罚模型SIMP (Solid Isotropic Materi-al with Penalization)的形状记忆合金结构拓扑优化方法.基于ZM宏观唯象本构模型,考虑形状记忆合金材料特性,对拓扑优化过程中引入的中间密度材料的奥氏体和马氏体弹性模量以及相变转变应力进行插值.同时,考虑形状记忆合金本身的材料非线性和结构在大变形下的几何非线性效应,以获得准确的力学响应.采用三密度场法来避免最终设计结果出现的棋盘格现象、网格依赖性和大量中间密度单元.利用超单元法来改善由于低密度单元引起的非线性有限元分析过程的数值不稳定问题.利用伴随法对优化模型中的响应函数进行灵敏度分析.最后,通过二维和三维的数值算例验证了本文的优化设计方法,结果表明本文提出的拓扑优化框架能够对预期性能的形状记忆合金结构方案进行求解.     

索网天线找形分析的参变量变分有限元法

针对柔性空间索网天线的非线性特点,建立了基于参变量变分描述索网拉压非线性和共旋列式描述几何非线性的有限元控制方程,应用Lernke与改进牛顿法进行求解.通过对索网预张力平衡计算,证明改进牛顿法比Newton-Raphson法具有更强的收敛能力.进一步将力密度法迭代原理与有限元法结合应用于索网天线的非线性找形分析中,获得了理想的索网构型.本文的索网找形方法可广泛应用于空间索网天线结构的设计.     

力密度找形分析方法及计算机实现

本文通过对力密度法的分析研究，概括了力密度法的基本原理和找形分析的过程，用矩阵形式给出了力密度的基本列式。通过对各个矩阵基本元素分析，找到了力密度矩阵的组装规律和一维变带宽存储的规则及实现算法和过程，并给出了详细的力密度矩阵的装配过程。通过基于C 语言的系统框架的程序，实现了该基于一维变带宽存储的力密度找形分析方法。最后，通过几个数值算例表明了，力密度法找形理论的先进性，及本文提出的算法过程实现的可行性和正确性。由于本文的算法是基于效率比较高的一维变带宽压缩存储格式，因此，可以实现大型索膜结构的找形分析。     

强夯加固机理的非线性动态冲击显式有限元数值分析

根据强夯的特点,采用同时考虑几何非线性、材料非线性、状态非线性,并且考虑瞬态大变形的非线性动态显式有限元,分析了强夯对地基土的冲击碰撞过程。该方法克服了以往有限元计算强夯动力问题时需再引入其他的简化假定的已知量,能较实际地反映强夯加固的动力特性。通过对工程实例计算研究,取得了令人满意的效果。     

橡胶复合材料结构大变形有限元分析

建立了一个橡胶复合材料结构有限元分析模型。在该模型中 ,考虑了轮胎变形的几何非线性、轮胎与地面和轮胎与轮辋的大变形非线性接触、轮胎材料的非均匀性和物理非线性及橡胶基复合材料的各向异性。此外 ,本文还利用该模型研制的有限元分析软件对全钢丝子午胎的变形轮廓进行了详细的分析。     

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。     

Self-equilibrium and stability of regular truncated tetrahedral tensegrity structures

This paper presents analytical conditions of self-equilibrium and super-stability for the regular truncated tetrahedral tensegrity structures, nodes of which have one-to-one correspondence to the tetrahedral group. These conditions are presented in terms of force densities, by investigating the block-diagonalized force density matrix. The block-diagonalized force density matrix, with independent sub-matrices lying on its leading diagonal, is derived by making use of the tetrahedral symmetry via group representation theory. The condition for self-equilibrium is found by enforcing the force density matrix to have the necessary number of nullities, which is four for three-dimensional structures. The condition for super-stability is further presented by guaranteeing positive semi-definiteness of the force density matrix.     

GEOMETRIC DRAWING METHOD FOR FORM-FINDING AND FORCE-FINDING FOR TRIANGULAR PRISM OF TENSEGRITY

力学和几何学是密不可分的,本文给出了一种几何作图法进行端面平行时张拉整体三棱柱的找形方法和作图确定自平衡内力大小的找力方法,并推导出找形后张拉整体三棱柱自平衡内力的力密度计算公式,通过算例验证了几何作图法找形与找力的正确性。几何作图法找形和找力方法操作简单,直观可控,可以在CAD软件中实现,甚至可以纸上手绘实现;自平衡力密度公式简单,表达直观,是力密度法的一种几何实现。