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。     

斜拉桥分析的索膜单元理论及其应用

本文提出分析斜拉桥的索膜单元理论,建立起索膜单元概念与计算模型,推导出索膜单元刚度矩阵,说明了用索膜单元分析斜拉桥的方法细节,应用索膜单元对144+360+144米公路钢斜拉桥方案进行了分析计算,得出了主梁弯矩影响面与扭矩图,讨论了索梁锚固点与截面水平主惯性轴偏心对主梁弯矩的影响。     

桅杆结构静力分析简化计算方法

通过整体分析,推导出空间单索在任意荷载作用下的静力计算公式和空间索单元的非线性刚度方程,在此基础上,给出桅杆结构静力分析简化计算的非线性方程式。     

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。     

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针对连续Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵,分析了在使用连续梁单元 进行结构动态特性分析中的数值问题. 基于连续梁单元的运动方程,导出了连续 Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵. 分析了影响动态刚度矩阵中双曲函 数自变量的各个独立变量及其产生的影响,并给出了初估连续梁单元合理长度的方法. 使用 单一连续Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵分别进行了悬臂梁频响曲线 的数值求解. 研究表明,在合理选择连续梁单元的长度时,大多数工程结构的动态特性分析 中都不会产生数值问题.     

预应力钢桁架结构分析中的摩擦滑移索单元

为精确模拟预应力钢桁架中连续长索在支撑点的滑动,本文创建了一种考虑摩擦力影响的新单元。被称为摩擦滑移索单元的新单元有三个节点,中间节点为支撑点。本文首先利用弹性悬链线的解析解,建立了弹性悬链线单元,并推导了单元两端点的张拉刚度。摩擦滑移索单元由两个弹性悬链线单元组合而成,根据支撑点处索的滑动方向、索力差、滑动摩擦力和滑移刚度调整两索段的原长,使支撑点两侧的索力满足给定的摩擦关系。算例验证了新单元算法的正确性和高效性,对设计的预应力钢桁架的分析,显示了张拉过程中及使用荷载作用下新单元在结构分析中的应用。新单元可直接用于常规的有限元分析,研究在工作状态或施工中存在连续长索滑移的索结构。     

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.     

薄壁杆系结构的梁元分析模型

本文导出了用于薄壁杆系结构弹性分析的薄壁梁元分析模型，在空间梁元分析模型^[3]的基础上，采用了一种改进的位移模式，考察了薄壁杆件可能发生的拉压，剪切，弯曲，扭转和翘曲等各变形形式以及它们的耦合效应，得出了相应的单元形函数，同时从工程应变的定义出发，采用Taylor级数展开的方法，建立了单元的五阶近似正交变表达式，并建立了相应的薄壁单元刚度方程，从而得出了局部坐标系下单元刚度矩阵的显式，根据本文所导出的薄壁梁元分析模型，编制了相应的结构计算程序，通过算例验证了本文所推导的单元刚度矩阵，同时通过与传统空间梁元计算模型计算结果的比较，阐述了截面翘曲对薄壁杆系结构的影响。     

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。     

基于初弯曲单元的某弦支穹顶非线性稳定承载力分析

在单元的随动坐标系下,建立了初始弯曲对杆单元轴向刚度影响的计算公式,导出了考虑初始弯曲的非线性杆单元刚度矩阵;从经典的梁-柱理论出发,给出了考虑初始弯曲的非线性空间梁单元切线刚度矩阵推导过程。将建立的初始弯曲单元应用于弦支穹顶结构算例的非线性稳定承载力分析,研究了杆件初始弯曲对结构整体非线性稳定性能的影响,结果表明,杆件初始弯曲的存在会降低结构的整体刚度和极限承载力,而在不同的初始预应力状态下,极限荷载随初始弯曲增加都基本呈线性下降,并且其关系曲线基本平行。本文建立的基于初弯曲单元的非线性分析方法,可推广应用于各种类型空间网格结构的非线性分析,为结构设计方案的选择提供更为科学的依据。     

A Numerical Method to Material and Geometric Nonlinear Analysis of Cable Structures

In this article, a numerical method is presented for computing the stiffness matrix and compatibility relations of cables under uniform distributed loads on any direction. Both the geometrical and material nonlinearities, including softening and yielding of material, are taken into account and the catenary cable element with gauss integration scheme is employed. The proposed formulation includes the effect of uniform distributed loads on any direction and 3D nodal forces to assess the geometric and possible material nonlinearity of cables. The derived equations are then applied to the analysis of cable structures. The accuracy of the responses obtained by the proposed method is evaluated by several benchmark solutions available in the literature. Results of numerical examples indicate the capability of the proposed stiffness matrix in prediction of the elastic and inelastic responses of cables. The proposed formulation is therefore recommended for cable elements to be used in the analysis of cable structures.     

滑轮在索上滑行分析的索-轮单元法

为了分析索结构中滑轮在悬索上行走及连续长索从滑轮下绕行问题,创建了一种新的单 元. 被称为索-滑轮单元的三节点新单元模拟一段索支承滑轮,滑轮的中心取为中间节点, 索的两端点为另外两节点. 基于有限元分析的基本原理,并利用处于平衡状态时单元内力之间的关系,推导了单元的算法. 这种新单元可以通过自动调整滑轮两侧索段的长度使单元处于平衡状态,从而简化了计算. 算例证明了新单元的算法及所编制程序的正确性,同时说明了它在工程中的应用. 给出了构成刚度阵的各矩阵的显式表达式. 新单元可以直接用于常规的有限元分析中,分析处于工作状态或施工中的索结构.     

非线性梁索单元理论在轻型桅杆设计中的应用

导出了轻型桅杆设计计算的非线性梁与索单元理论和方法，求出的桅杆截面内力考虑了索单元的非线性影响，计入了桅杆杆身在轴压下弯曲失稳的效应。在计算桅杆时采用了增量Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ迭代法，如果在设计荷载作用下的迭代过程收敛，则桅杆不会发生绕两个主轴的整体弯曲失稳。本文方法解决了轻型桅杆设计中的强度、整体和层间稳定及刚度计算的难题。     

索托桥结构分析的滑移索单元法

为在索托桥的结构分析中精确模拟连续长索的滑动,本文创建了一种新的单元。被称为“滑移索单元”的新单元有三个节点,以点接触的形式模拟索从下方绕过滑轮,它可以通过自动调整两侧索段的长度而使单元处于平衡状态,从而简化了计算。新单元算法的推导基于有限元分析的基本原理和弹性悬链线的解析解,并利用了平衡状态时单元内力之间的关系。本文介绍滑移索单元的推导过程,用设计的算例验证了它的正确性,分析了连续长索的滑移对索托桥桥面竖向变形的影响。新单元可以直接用于常规的有限元分析中,研究处于工作状态或在施工中的索结构。     

悬索结构非线性分析的滑移索单元法

本文提出了一种悬索结构存在在滑移单元时的非线性计算方法,利用文献（１）提出的五节点曲线索单元有限元基本方程,建立了滑移单元非线性分析的计算理论、方法及公式,并进行了实例计算,结果表明,本文方法是行之有效的,可供悬索结构设计、施工时参考。     

一种具有强耦合作用的有限元单元刚度矩阵组装策略

讨论了对起重机械结构进行有限元静、动力分析时的一种特殊单元——钢丝绳单元的强耦合特性,研究了将钢丝绳单元刚度矩阵往总刚度矩阵组装时的策略,以方便地在现有的有限元分析程序中引进该单元。     

Analysis of Thin Beams and Cables Using the Absolute Nodal Co-ordinate Formulation

The purpose of this paper is to present formulations for beam elements based on the absolute nodal co-ordinate formulation that can be effectively and efficiently used in the case of thin structural applications. The numerically stiff behaviour resulting from shear terms in existing absolute nodal co-ordinate formulation beam elements that employ the continuum mechanics approach to formulate the elastic forces and the resulting locking phenomenon make these elements less attractive for slender stiff structures. In this investigation, additional shape functions are introduced for an existing spatial absolute nodal co-ordinate formulation beam element in order to obtain higher accuracy when the continuum mechanics approach is used to formulate the elastic forces. For thin structures where bending stiffness can be important in some applications, a lower order cable element is introduced and the performance of this cable element is evaluated by comparing it with existing formulations using several examples. Cables that experience low tension or catenary systems where bending stiffness has an effect on the wave propagation are examples in which the low order cable element can be used. The cable element, which does not have torsional stiffness, can be effectively used in many problems such as in the formulation of the sliding joints in applications such as the spatial pantograph/catenary systems. The numerical study presented in this paper shows that the use of existing implicit time integration methods enables the simulation of multibody systems with a moderate number of thin and stiff finite elements in reasonable CPU time.     

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。