桥梁空间分析中预应力效应分析方法研究

预应力技术在桥梁中的广泛使用,使得桥梁结构受力状况复杂,对预应力混凝土桥梁进行空间分析是必要的;但由于预应力筋数量庞大且形状复杂,对预应力空间效应的模拟是预应力混凝土桥梁空间分析的难点。从预应力筋的实际作用机理出发,提出在预应力张拉阶段用等效节点荷载来模拟预应力对结构的作用;而在预应力管道灌浆后,将预应力筋作为结构的一部分,用实体退化单元进行结构分析,并用两算例对本文的方法进行了验证。结果表明,该方法能真正模拟预应力的空间效应,可用于预应力混凝土桥的空间分析。     

压电薄板屈曲有限元分析及DKQ单元

在机电耦合本构方程基础上,利用Hamilton原理推导了压电薄板屈曲分析的有限元特征方程和机电耦合的内力计算公式,在有限元实现中选择了基于Kirchhoff薄板假定的四边形薄板单元（DKQ单元）,并给出该单元的几何刚度阵及其数值积分方法。在大型通用有限元分析和优化设计软件系统JIFEX中实现了该方法。给出的数值验证了DKQ单元在屈曲分析和压电薄板静力分析中具有较高精度和收敛性,通过机械荷载和电荷载联合作用下的临界荷载计算,表明压电耦合效应能够影响结构的稳定性,可以通过改变外加电压对结构稳定性进行控制。     

基于荷载形函数的大跨桥梁结构移动荷载识别

大跨桥梁结构中的移动荷载识别是结构健康监测的重要组成部分之一,其作为动力学中的反问题,存在唯一性及稳定性等病态问题。本文首先推导出移动荷载作用下结构响应的卷积形式的离散公式,然后利用有限元理论中的形函数拟合移动荷载,推导出基于荷载形函数的移动荷载识别表达式。将移动荷载的识别转化为荷载形函数拟合系数的识别,降低了需要识别的未知量,减小了逆运算的计算量,消除或减弱逆问题病态性,并提高了计算效率。利用某大跨刚构-连续预应力混凝土桥梁修正后的有限元模型进行数值仿真,考虑路面粗糙度,由模态叠加法计算移动荷载作用下的响应;然后采用荷载形函数方法识别移动荷载,证明该方法在5%以下的噪声时能快速并精确识别复杂桥梁结构的移动荷载。     

压电智能结构荷载识别方法的研究

采用压电智能结构实测荷载的输出响应，基于BP神经网络与有限元逆分析提出一种识别荷 载位置及大小的方法. 首先在结构的不同位置施加单位荷载由有限元方法计算得到网络的学 习样本，经网络作逆分析识别荷载位置，继而通过有限元逆逼近方法确定荷载大小的最小二 乘解. 数值算例表明，该方法计算速度快、精度高，不受结构几何形状和边界条件的限制， 用于识别实际压电智能结构不确定荷载的位置及大小是可行的.     

基于开放式结构有限元系统 SiPESC.FEMS平板壳单元研发

基于开放式结构有限元系统SiPESC.FEMS的单元计算模块的设计模式,研发设计一种通用的平板壳单元计算框架。考虑板壳单元的组合关系和程序编制过程中的重用性及灵活性等特点,采用了软件设计中的构造器(Builder)模式实现不同的组合单元。本框架具有很好的通用性和可扩展性,为有限元程序研发提供了一个新的方式;同时,系统能够处理复杂荷载和边界条件,并可灵活实现不同类型单元的组合分析。本文利用此方法构造五种平板壳单元,通过数值算例分析对比讨论其性能,为选取合适的平板壳单元类型进行结构数值分析提供参考。     

直接基于单元平衡的变截面梁反应分析方法

固定形状的单元位移插值函数不能合理地近似变截面梁内部的位移变化,从而影响了传统梁单元用于计算变截面梁的精度.采用直接基于单元平衡的思想给出了计算变截面梁反应的有限元方法,解决了单元位移插值函数局限性所带来的问题.导出了变截面梁单元的单元刚度矩阵、单元等效节点荷载和单元一致质量矩阵.在此基础上,利用编制的程序进行了算例验证与分析.算例验证了本文理论的正确性,表明本文方法具有很高的计算精度.     

中厚圆柱壳在局部荷载下有限变形与屈曲分析

在柱壳的有限元计算中，采用Mindlin八结点杂交壳单元和增量荷载法，基于选择积分，缩减积分及完全积分三种积分模式编制了分层计算各种厚度板壳的有限元程序FEAM，并对中厚圆柱壳在局部法向均布荷载作用下的弹塑性有限变形和屈曲问题进行了分析和计算，算例表明，利用FEAM可对壳体屈曲的临界荷载及屈曲后结构的承载与形状改变作定性与定量的分析.     

利用有限元构造Michell桁架的一种方法

提出了一种新的形成Michell桁架的有限元分析方法.该方法以纤维增强正交各向异性复合板为材料模型,根据有限元分析结果调整各单元的纤维密度和方向.采用所提出的一种迭代格式,经过少量迭代,形成满足Michell准则的应变、内力场.该方法适于不同几何形状、支撑条件及荷载情况.算例结果表明该方法是有效的.     

基于有限元强度折减法的复式抗滑桩内力计算及桩土作用机理分析

在边坡、滑坡防治工程中已得到广泛应用的“П”形、“h”形等复合式抗滑桩,由于其多属于复杂的超静定结构,受力形式或荷载分配方式仍存在较大争议,桩土相互作用关系复杂,传统方法在求解其内力时往往面临较大困难。有限单元法和强度折减法的结合为解决这类问题提供了一条可行的途径,该方法求解这一类问题时不需要假定抗滑桩系统的结构类型以及岩土体作用在抗滑桩上的荷载分布形式,因此获得的计算结果往往更符合实际情况。本文以某隧道进口岸坡的“П”形抗滑桩为例,在详细分析岸坡稳定性状况以及可能失稳模式的基础上,采用有限元强度折减法对桩身内力、桩土作用关系以及治理效果进行计算和分析,结果表明利用有限元强度折减法求解这类具有复杂超静定结构抗滑桩系统的内力是一条有效的途径,计算结果对该治理工程的设计具有一定的应用参考意义。     

预应力混凝土空间组合式滑移模型

考虑预应力钢筋和混凝土间的粘结滑移效应,结合组合式模型和分离式模型的优点,提出了一种预应力混凝土空间组合式滑移模型。通过预应力钢筋和混凝土单元交点处的虚拟结点,将模拟预应力钢筋和混凝土交界面的无厚度环形粘结单元嵌入组合单元中。粘结单元忽略预应力钢筋-混凝土间的径向相对位移,通过内、外表面的切向位移差值表征预应力钢筋的相对滑移量。基于位移有限元框架,根据预应力钢筋、混凝土、粘结单元各自的本构模型,由虚功原理推导出三者对组合单元刚度矩阵的贡献,建立了该空间组合式滑移模型的有限元平衡方程,并给出了有限元计算流程。在该模型中,预应力钢筋能以任意形式穿过混凝土单元而不需考虑其走向,网格划分灵活;对单个粘结单元而言,在平衡方程中缩减了2个虚拟结点的6个自由度,自由度数减少了8%。     

二维裂隙渗流等效渗透系数张量的一种近似算法

地质体裂隙渗流十分复杂,通常可用等效渗透系数张量来描述其渗透特性. 本文基于无限延伸的多组平行裂隙的等效渗透系数张量的叠加算法,通过引入裂隙的贯通系数概念,并结合随机裂隙网络生成技术,发展了一种可用于估算二维裂隙等效渗透系数张量的叠加算法.     

Stress analysis of hyperbolic shells of revolution with non-axisymmetrical geometric imperfections

In analyzing hyperbolic shells of revolution with non-axisymmeteric imperfections, an approximate method based on simulating the effect of imperfections by the application of fictitious normal pressure loading on the perfect shell is investigated. In the analysis of a shell of revolution with a bulge-type imperfection under non-axisymmetric loads, an efficient algorithm of applying the method is developed: the effect of individual curvature errors on stress resultants and couples are separately considered, while the interactions among various curvature errors are properly treated in the analysis by an iterative procedure. This algorithm avoids repeated analyses for non-axisymmetric loads and may be implemented with a purely axisymmetric analysis capability.A hyperbolic cooling tower shell with a bulge-type imperfection is analyzed under dead load and wind load conditions by the equivalent load method. A direct analysis of the imperfect shell is also made by a specialized finite element program. Through numerical studies, the accuracy and applicability of the equivalent load method are examined.     

土-结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土-结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土-结构动力相互作用问题数值模拟的精度。波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效荷载,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂。从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震荷载的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法。新方法通过对土-结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效荷载,然后将等效输入地震荷载施加在土-结构模型的人工边界节点上,从而完成土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算。与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定荷载的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点。采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性。      

计算曲面壳体等效节点热载荷的新方法

提出了一种利用平面壳单元计算曲面壳体热应力问题等效节点热载荷的新方法, 具有较高的计算精度. 首先在平面壳元的理论基础上, 在壳单元切平面建立局部坐标系; 然后根据提出的理论, 利用单元节点整体坐标直接计算壳单元等效节点热载荷积分方程中所需的未知量, 如: 形函数对局部坐标的导数、从对局部坐标积分转换到自然坐标积分时的雅可比行列式等; 最后, 根据提出的算法求出从局部坐标转换到整体坐标的转换矩阵, 进而求出整体坐标系下壳单元等效节点热载荷. 通过与商用软件ANSYS 的计算结果进行对比分析, 证明提出的方法是正确而且精确的.      

变形能分解的新概念与圣维南原理

在小变形情况下分析了三维各向异性弹塑性体当表面小区域受载时的变形能，所得表达式的每一项都具有明确的物理意义，能清晰地显示出载荷的各特征因素对变形能的贡献，文中提出的有关变形能分解的新概念对于揭示圣维南原理所描述现象的力学机理具有重要意义。     

On Accuracy Problems for Semi-Analytical Sensitivity Analyses

Abstract

The semi-analytical method of sensitivity analysis combines ease of implementation with computational efficiency. A major drawback to this method, however, is that severe accuracy problems have recently been reported. A complete error analysis for a beam problem with changing length is carried out in this paper. It is shown that the sensitivity error is proportional to the relative length difference, but in agreement with Eq. 3.8. The approximate pseudo loads thus violate moment equilibrium for rigid body motion while the correct pseudo loads do not.

It might be a good idea to modify the approximate pseudo loads in order to obtain general load equilibrium with rigid body motions. Such a method would be readily applicable for any element type, whether analytical expressions for the element stiffnesses are available or not. This topic is postponed for a future study.     

膜结构找力分析的无矩理论和优化的复位平衡法

膜结构工程的实践和形状确定理论要求对膜结构进行找力分析。本文结合无矩理论推导了膜结构自平衡预应力确定的解析方程,研究表明膜结构自平衡预应力由膜曲面的特性和边界条件决定。根据相似原理提出了索膜结构找力分析的数值方法——复位平衡法,并且依据曲面上单元之间的关联对这种方法进行了优化。与无矩理论的计算结果比较显示优化的复位平衡法有很高的计算精度,能够应用到实际工程的精确分析中。     

考虑动荷载响应的结构形状优化设计研究

以产生相同位移场为基础,将动荷载转化为一系列的等效静荷载,然后将这些等效静荷载作为多个载 荷工况进行有限元优化设计分析. 通过几个算例的验证,表明这种基于动荷载等效转换的算 法能够反映动荷载对结构的动力响应,对具有大规模自由度的结构形状优化问题是有效的.     

An effective boundary element method for analysis of crack problems in a plane elastic plate

A simple and effective boundary element method for stress intensity factor calculation for crack problems in a plane elastic plate is presented. The boundary element method consists of the constant displacement discontinuity element presented by Crouch and Starfield and the crack-tip displacement discontinuity elements proposed by YAN Xiangqiao. In the boundary element implementation the left or the right crack-tip displacement discontinuity element was placed locally at the corresponding left or right each crack tip on top of the constant displacement discontinuity elements that cover the entire crack surface and the other boundaries. Test examples (i. e. , a center crack in an infinite plate under tension, a circular hole and a crack in an infinite plate under tension) are included to illustrate that the numerical approach is very simple and accurate for stress intensity factor calculation of plane elasticity crack problems. In addition, specifically, the stress intensity factors of branching cracks emanating from a square hole in a rectangular plate under biaxial loads were analysed. These numerical results indicate the present numerical approach is very effective for calculating stress intensity factors of complex cracks in a 2-D finite body, and are used to reveal the effect of the biaxial loads and the cracked body geometry on stress intensity factors.