高效双非线性平面梁单元算法研究

基于随转坐标法和场一致性原则发展了一种用于结构几何与材料双非线性分析的平面梁单元算法,并编制了相应的计算机程序。在随转坐标系下计入材料非线性,采用截面纤维积分法处理任意形状的平面梁单元截面并导出截面切线刚度矩阵,并利用虚功原理得到单元切线刚度矩阵,此过程无需迭代,因而使计算效率得到很大提高;几何非线性效应则通过变量在随转坐标系与结构坐标系之间的转换得以体现。用本文方法对肘式框架的几何非线性进行分析,计算结果与试验结果吻合良好;对简支梁进行分析,在只考虑材料非线性而不考虑几何非线性情况下,本文结果和已有文献结果与解析解的误差分别为1.5%和4.2%;在考虑几何与材料双非线性情况下,本文结果和已有文献结果与ANSYS程序解的误差分别为2.9%和5.9%,与已有文献结果相比,本文所得受力后期的荷载-位移曲线更接近实际情况。     

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。     

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。     

单层平面索网幕墙结构的几何非线性问题研究

单层平面索网支承式玻璃幕墙结构是近年来在国内外应用较为广泛的一种新型幕墙结构形式,由于单层平面索网不具有负高斯曲面形式,结构在平面外方向的刚度偏柔,表现出较明显的几何非线性特征.本文采用连续化方法建立了单层平面索网结构考虑几何非线性影响的静力平衡方程和振动方程,得到了结构刚度的解析表达式,并采用谐波平衡法求得非线性频率的简化解析表达式,以此为基础研究了单层平面索网结构的静力非线性和动力非线性问题.研究结果表明:结构的非线性和结构的初始位置密切相关;结构的非线性频率主要取决于索的初始应变、结构振动幅值与跨度的比值,几何非线性对于结构动力性能的影响要小于对结构静力性能的影响;本文得到的结构在地震荷载和平均风荷载作用下的非线性振动方程和非线性频率为结构在地震荷载和脉动风荷载作用下动力响应的求解奠定了基础.     

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     

光伏支架柱平面内有侧移失稳计算长度系数研究

光伏支架是一种典型的不等高单层框架,有侧移失稳的光伏支架柱计算长度系数需考虑多方面因素的影响,无法直接套用现有规范公式．综合考虑了光伏支架短柱和长柱的刚度比γ、短柱和长柱的高度比β以及梁柱线刚度比K1的影响,进行了理论推导,得出了不等高单层框架柱有侧移失稳计算长度系数的计算公式,并制作表格以便工程人员查阅使用．然后以某典型光伏支架实际工程为算例,建立了有限元数值分析模型,并分别进行了线性屈曲分析和考虑几何非线性以及材料非线性的极限承载力分析．分析结果表明,提出的理论公式和计算表格能够精确地计算光伏支架有侧移失稳的极限承载力．     

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。     

柔性网架结构的超弹性力学行为分析

由于地层漏失压力存在差异性,钻完井液的漏失现象是工程中常遇问题。井壁柔性贴补网架是一种解决地层钻井溃漏的方案,其中核心涉及到网架结构超弹性的几何大变形力学行为。本文就柔性网架结构建立了子结构的非线性力学模型,推导了结构位移形变方程,证明了网架结构的几何非线性,给出了钻井堵漏的力学行为算法。这种几何非线性力学模型,通过数值方法得到了验证。该柔性网架的力学分析模型适用于钻井堵漏,也可以为心脑血管SMA支架、气管支架等领域提供参考。     

考虑几何非线性的复合材料机翼气动弹性分析

本文研究结构几何非线性与气动力非平面效应对大展弦比复合材料机翼的气动弹性行为的影响．将非线性有限元法与曲面涡格法结合,计算机翼静气动弹性变形;通过曲面偶极子格网法结合静气动弹性平衡位置处的结构切线刚度,建立气动弹性方程并求解得到机翼颤振速度．针对板模型机翼,分析了迎角对机翼几何非线性气动弹性特性的影响．结果表明：本文复合材料板模型机翼的颤振形式不受水平弯曲模态影响,属于经典弯扭颤振;在几何非线性的影响下,机翼扭转频率随结构变形增大而明显减小,颤振速度随迎角增大而减小．     

多自由度柔性结构非线性随机振动响应分析方法

随机等效线性化方法是多自由度结构非线性随机振动分析的有效方法,然而柔性结构隐式的系统方程限制了该方法的应用.本文首先提出了把多自由度柔性结构隐式系统方程显式化的等效非线性系统建立方法,该方法结合模态分析,将系统几何非线性作用等效为模态坐标的高次多项式组合,把多自由度物理系统转化为容易求解的模态系统;在此基础上运用随机等效线性化技术建立柔性结构非线性随机振动响应分析方法.该方法通过引入虚拟激励原理,大幅提高了计算效率,使对多自由柔性结构的非线性随机振动响应分析成为可能.通过算例分析,本文分析结果和精确解与数值模拟解的比较结果表明,本文方法具有较好的计算精度和较高的计算效率,能够应用于实际柔性工程结构的随机振动响应分析.     

温度变化对悬索非线性自由振动特性影响

基于增量热场理论,引入悬索在温度变化下的热应力平衡状态,推导考虑温度效应的悬索非线性自由运动微分方程,并对其进行Galerkin离散以及线性分析。利用Lindstedt-Poincare法求解悬索非线性自由振动的近似解,通过算例研究温度变化对悬索非线性自由振动特性的影响。研究结果表明:温度变化不会改变悬索非线性运动方程形式,但是会影响非线性运动微分方程的线性及非线性项系数大小;对于垂度较小的悬索,温度上升,硬弹簧程度增强,反之则降低;而对于垂度较大的悬索,温度变化会导致悬索非线性自由振动时的软硬弹簧特性发生定量甚至定性的变化;升高和降低相同温度对悬索振动特性的影响呈现出明显不对称性。     

张拉结构非线性分析两节点曲线单元有限元法

提出适合张拉结构几何非线性分析的两节点曲线单元有限元方法．假定索元的初始形状呈二次抛物线,根据单索的平衡条件、几何和物理关系建立了索元的位移函数;由拉格朗日应变的定义建立了可以考虑任意次高阶位移影响的索元轴向应变的精确表达式,并基于拉格明日描述方法和虚功原理得到了索元的非线性平衡方程与切线刚度矩阵．采用荷载增量法与Newton－Raphson法相结合的混合法进行了实例计算,结果表明：本文方法的精度明显优于两节点直线索单元,适合于大跨度索阿、索穹顶等张拉结构的几何非线性分析．     

考虑恒载效应的拱形梁静力近似解

应用虚功原理,推导了考虑恒载效应影响时拱形梁在活载作用下的非线性微分方程,得到了方程的近似闭合解。根据方程的解,讨论了恒载大小及结构自身刚度(矢高、跨度、惯性矩及惯性半径等)不同因素在考虑恒载效应时对拱形梁静力特性的影响。通过与Takabatake得到的直梁解析解结果及作者在其他文献提出的有限元方法对拱形梁分析结果的比较,验证了本文非线性微分方程及其求解公式。结果表明,本文给出的非线性微分方程对于拱形梁和直线梁具有通用性,初始恒载的存在减小了拱形梁在活载作用下的静力反应,这种影响与恒载的大小及结构自身的刚度有关,对轻型结构的设计提出了一些建议。     

深海采矿柔性立管系统非线性有限元模拟

在海洋环境载荷及集矿机牵引作用下,深海采矿柔性立管系统的动力学响应涉及几何非线性和非保守载荷的双重非线性源.基于三维固体有限变形理论建立数学模型,在完全拉格朗日格式下推导了系统运动平衡方程,针对非保守载荷的等效计算、非线性切线刚度矩阵及非线性方程的数值求解等关键问题提出了有效处理方案.根据处理方案开发了数值计算程序,并...     

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。     

大跨空间结构的竖向静力弹塑性分析

对于大跨刚性空间结构,国内外关于静力弹塑性竖向抗震理论方面的研究成果还比较稀少;本文参照高层结构的静力弹塑性分析方法提出了一种新的大跨刚性空间结构竖向静力弹塑性计算方法即Push-down方法;对该方法的基本原理进行详细论述和推导,如竖向弹塑性能力谱和竖向需求谱的建立,并提出了几种竖向荷载式;通过一个计算实例,详细描述Push-down法的计算步骤.该方法可以对第一振型为竖向变形的大跨刚性空间结构进行有效的抗震性能评估,从而使设计人员全面了解在竖向地震作用下大跨刚性空间结构的动力特性和抗震性能.     

塑性大变形问题的唯一性、稳定性和极值原理

本文从考虑几何非线性的塑性大变形基本方程出发,讨论了塑性大变形问题的唯一性、稳定性与极值原理。提出了确定边值问题的解的唯一性判别准则;分析了平衡状态稳定性的充分条件。最后讨论了边值问题与变分问题等价的充分条件。     

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。     

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。