一种考虑初始缺陷影响的非线性梁单元

在目前广泛应用的梁单元中,尚缺乏全面考虑以下四种因素影响的粱单元：(1)轴力的影响;(2)剪切交形的影响;(3)初始弯曲的影响;(4)弯曲变形对轴向应变的影响,即弓形效应。事实上,以上四种非线性因素都会对钢框架结构的稳定和极限承载力有影响,需同时考虑。本文将致力于推导同时考虑以上四种因素影响的平面梁单元的平衡微分方程,最后得到精确的粱单元刚度矩阵,并研究以上四种因素对钢框架构件及钢框架结构的影响。     

考虑约束扭转的薄壁梁单元刚度矩阵

推导了薄壁空间梁单元刚度矩阵 ,考虑了双向弯曲及截面约束扭转对杆件轴向变形的影响 ;计算了截面的翘曲变形 ,以及二次剪应力对翘曲变形的影响 ,可适用于任意截面 (包括开口、闭口和混合剖面 )的薄壁杆件。计算结果表明 ,考虑约束扭转的薄壁梁单元刚度矩阵有相当好的精确度 ,可以用于薄壁杆件的静动力分析。     

谱元法研究桁架结构的振动带隙特性

采用谱元法研究了桁架周期结构的带隙特性.从杆和梁的运动方程出发,推导出与频率相关的插值函数,得到了杆单元和梁单元的动力学刚度矩阵.在频域下将铰结构考虑为一个谱单元,并推导出铰单元的动力学刚度矩阵.将杆/梁单元和铰单元加以整合得到整体结构的动力学刚度阵,进而建立整体结构的运动方程.通过求解整体结构的动力学方程,获得结构的频域响应,进而研究结构的带隙特性.本文将谱元法求解得到的固有频率结果与有限元法进行了对比,分析了单胞数量和材料的变化对结构带隙特性的影响,拓展了谱元法的应用领域.     

L形柱在反复荷载作用下的非线性分析

在平截面假定的前提下,将钢筋混凝土L形柱划分为两端弹塑性区、中间为弹性区的三分段杆单元模型。将应用于平面剪力墙的多垂直杆单元模型拓展为空间的多垂直杆单元模型,推导了拓展的多垂直杆单元模型单元刚度矩阵,经静力凝聚为三分段杆单元模型刚度矩阵,该单元模型可用于各种截面形式的钢筋混凝土异形柱、剪力墙墙肢和梁的非线性分析,计算工作量较小。讨论了目前垂直杆的轴向拉压滞回模型,提出了轴向拉压滞回曲线考虑骨架曲线下降段的简化处理方法。最后提供了算例,结果表明本文方法计算的滞回轴线与在反复加载下L形柱的试验结果吻合较好。     

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。     

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。     

考虑非线性变形的航天器柔性附件建模方法

针对航天器的柔性附件,将其简化为常见的大范围运动空间柔性梁结构。根据柔性体的非线性变形原理,考虑了弯曲和扭转的非线性因素的影响,在柔性梁的三个变形方向上均考虑了变形的二次耦合项。利用有限元方法进行离散并用Lagrange方程建立了非线性变形模式下的动力学方程,包含了较为完全的刚度矩阵和各种耦合项。对一大范围运动的空间梁进行了仿真计算,表明在运动速度较大并且基座具有大范围运动时,一次耦合模型与本文模型有一定差异,且初始变形对两种模型也会产生影响。     

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。     

考虑恒载效应对梁静力反应影响的有限元分析

从非线性弹性理论出发,应用Hamilton原理,采用三次多项式作为位移函数给出了考虑恒载效应影响的一般形式的单元刚度矩阵,建立了考虑恒载效应影响时梁静力分析的有限元方法,为解决各种不同构造、荷载类型、刚度变化、边界条件下的实际结构考虑初始恒载影响提供了有效的工具。讨论了在分布和集中两种恒载类型条件下恒载大小、结构自身刚度（惯性矩、惯性半径、跨度）等因素对各类梁（简支梁、两端固支梁、悬臂梁）静力反应的影响,结果表明：梁自身的刚度会对恒载效应造成影响,结构越柔（约束越弱、或惯性矩越小、或跨度越大、或回转半径越小）,这种影响越大。验证了初始恒载的存在减小了梁在活载作用下的静力反应,并且这种影响与恒载的大小及结构自身的刚度有关。     

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。     

基于能量平衡原理的有限单元耦合方法

结构非线性数值计算分析应真实反映局部损伤破坏细节,以作为损伤演化全过程分析的依据。对同类构件,有限单元耦合方法可以解决破坏细节与整体模拟的空间尺度差异问题。基于能量平衡原理,建立了梁与实体单元、梁与壳单元以及壳与实体单元的耦合方程,适用于结构的损伤数值计算。对某RC框架结构原位推覆试验的损伤数值分析表明,有限单元耦合模型能正确反映整体结构的承载力和变形性能,并且能准确反映局部损伤破坏细节。     

Study of milling stability with Hertz contact stiffness of ball bearings

This present work examines the stability and nonlinear responses of a spindle milling system supported by ball bearings. A shaft finite element based on Timoshenko beam theory is employed to model the spindle, and modal reduction method is therefore adopted for saving the numerical calculating time. The issues of evaluating the effects of the ball bearing Hertz contact stiffness are consequently addressed. It is found that suitable constant bearing stiffness can be adopted to replace the nonlinear nonsmooth Hertz stiffness in prediction of the critical cutting depth of the milling system in certain bearing configuration conditions. For the constant bearing stiffness can be obtained by experiment, this replacement will undoubtedly simplify the spindle-bearing milling system. But with the increase in the bearing clearance, the spindle milling system will present obvious nonlinear behaviors, and the nonlinear Hertz contact bearing stiffness will take over. Isolated islands of chatter vibration, which are induced by the nonlinear nonsmooth bearing Hertz stiffness, can be found exist in milling processes in large bearing clearance conditions.     

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。     

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。     

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。     

半刚性钢框架的内力分析

采用二阶非线性分析方法分析和设计半刚性钢框架，包括连接的柔性以及构件的几何非线性的影响，提出了半刚性钢框架中梁柱单元刚度矩阵和半刚性梁的单元刚度矩阵；推导了半刚性梁在集中荷载，均布荷载，线性荷载作用下的固端弯矩的求解公式；连接的柔性对无支撑框架的侧移有很大的影响，设计时通过变化连接的刚度以平衡梁的跨中和端弯矩。     

A new beam element for analyzing geometrical and physical nonlinearity

Based on Timoshenko＇s beam theory and Vlasov＇s thin-walled member theory, a new model of spatial thin-walled beam element is developed for analyzing geometrical and physical nonlinearity, which incorporates an interior node and independent interpolations of bending angles and warp and takes diversified factors into consideration, such as traverse shear deformation, torsional shear deformation and their coupling, coupling of flexure and torsion, and the second shear stress. The geometrical nonlinear strain is formulated in updated Lagarange （UL） and the corresponding stiffness matrix is derived. The perfectly plastic model is used to account for physical nonlinearity, and the yield rule of von Mises and incremental relationship of Prandtle-Reuss are adopted. Elastoplastic stiffness matrix is obtained by numerical integration based on the finite segment method, and a finite element program is compiled. Numerical examples manifest that the proposed model is accurate and feasible in the analysis of thin-walled structures.     

Second-order inelastic dynamic analysis of 3-D steel frames

This paper presents a reliable numerical procedure for nonlinear time-history analysis of three-dimensional steel frames subjected to dynamic loads. Geometric nonlinearities of member (P-δ) and frame (P-Δ) are taken into account by the use of stability functions in framed stiffness matrix formulation. The gradual yielding along the member length and over the cross-section is included by using a tangent modulus concept and a softening plastic hinge model based on a modified version of Orbison yield surface. A computer program utilizing the average acceleration method for the integration scheme is developed to numerically solve the equation of motion of framed structure formulated in an incremental form. The results of several numerical examples are compared with those derived from using beam element model of ABAQUS program to illustrate the accuracy and the computational efficiency of the proposed procedure.