基于数值子结构方法的结构弹塑性分析

结合震害调研及数值分析可知,结构最终失效可能仅由部分关键构件破坏引起,大部分构件仍处于弹性或小变形状态。因此为提高计算效率,在结构全过程分析中一致采用非线性单元建模并非必要,同时为准确考虑关键构件的非线性响应,本文提出一种新的数值子结构建模策略。进入弹塑性状态后,针对一般钢构件或钢筋混凝土构件采用动态替换子结构方法在单元或截面层次将其替换成非线性单元或非线性截面,并基于OpenSees平台开发了两类新单元予以实现;针对可能发生严重损伤的关键构件,采用隔离子结构方法将其隔离并建立精细化分析模型,考虑主、子结构间不同尺度边界耦合,并推导了切线刚度的传递关系,采用Client/Server技术在OpenSees平台开发了一类新的接口单元予以实现主、子结构之间的信息传递。为验证新开发单元的合理性,分别以钢及钢筋混凝土平面框架结构为例,采用纤维单元、动态替换子结构方法以及隔离子结构方法建模进行静、动力分析。计算结果表明,采用本文提出的动态替换子结构方法与常规建模方法的计算结果完全吻合并且可大幅缩短计算耗时,随着荷载水平的增大,结构中受到动态替换的构件比例急剧增大,计算效率提高程度略有降低,但仍远高于常规模型;采用本文提出的接口单元可准确传递主、子结构间的界面信息,为隔离数值子结构方法在结构弹塑性分析中的应用提供了基础。     

动态子结构法中非线性特征值问题解法的改进

在大型复杂结构中,应用有限元法进行动力分析,自由度往往过大,本文依据对接加载动态子结构法并加以改进,利用精确的动力缩聚代替原来的静力缩聚,按双协调条件,将所有子结构的动力影响集中在一主体子结构上,这样整个结构的动力分析就转化为主体子结构的非线性特征值问题的求解,在非线性特征值问题的迭代解法中,本文采用修正的Sturm序列计数法,变步长搜索出所有迭代初值,并利用计算稳定、收敛迅速的移位反迭代法以提高经济性和解的精度,针对反迭代中出现的特征根“滑移”现象及重根的重复收敛,本文提出用迭代矢量的“定点加权法”,结合修正的Gram-Schmidt正交滤清来解决,通过实例的计算,证实了这种方法的优越性。     

基于子结构法的土-地下空间结构体系地震反应高效计算系统研究

为研发适用于土-地下空间结构相互作用体系地震反应分析的高效计算系统,本文基于子结构方法,综合利用ABAQUS软件和SASSI 2010的各自优势,通过二次开发,构建了一个适于土-地下空间结构动力相互作用分析的高效计算系统(ABAQUS-SASSI 2010 Combined System,简称ASCS)．该计算系统实现了ABAQUS软件和SASSI 2010的无缝连接,用户可以按照ABAQUS软件的可视化前处理功能,方便地建立包括土-地下空间结构相互作用体系在内的各种有限元模型,并调用和执行SASSI 2010程序的不同模块,按子结构方法对整个体系实施高效计算．为验证ASCS计算系统的有效性,文中首先采用ASCS计算系统对日本阪神地震中大开地铁车站的震害进行了模拟;然后,采用ABAQUS软件建立土-大开地铁车站结构相互作用体系的整体有限元分析模型,通过对比分析ASCS计算系统的子结构法结果和ABAQUS软件的整体有限元法结果,进一步验证了ASCS计算系统的计算精度和效率．结果表明：基于本文ASCS计算系统的数值模拟结果与阪神地震中大开地铁车站的震害结果一致;ASCS计算系统的子结构法结果与整体有限元法结果基本吻合,但前者的CPU时间是后者的1/21,明显提高了计算效率．     

复杂链式结构动力分析中的直接迁移子结构方法

本文将频响函数和迁移矩阵引入子结构方法中，提出简单高效的直接迁移子结构方法。当子结构中内部自由度很大时，用这种方法进行链武结构的动力特性分析和求解谐和激励响应时依然能保持很高的计算效率和精度。而且有限元分析或试验得到的各子结构数据相互独立，因此对结构的不同组合进行分析只需改变相应连接条件；当结构有局部修改时也只需修正相应子结构的数据。这些特性对复杂链武结构动力优化和抗震设计问题十分有利。最后的数值算例说明了所提出方法的优越性及其在工程中的实用性。     

大型渡槽动力设计方法研究

根据大型渡槽结构的特点,在缺乏适用的抗震分析模型前提下,提出支撑-渡槽-水伪三维流固耦合动力分析方法。模型基于结构动力分析理论和流固耦合分析理论,整体结构分析采用Newmark方法进行动力时程分析,分析中考虑渡槽结构整体受力性能,包括下部支撑结构、地基等多种因素的影响作用;渡槽-水耦合体子结构分析采用任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)有限元方法进行动力分析,考虑渡槽-水的耦合相互作用,模拟渡槽中水体的大幅晃动作用,相应得出渡槽中动力压力值及其分布。以某排架支撑矩形渡槽为例,采用本文提出的伪三维模型进行地震时程分析,计算结果与三维模型计算结果吻合良好。本文提出的伪三维动力分析方法计算效率高,满足渡槽结构抗震设计要求,便于工程应用,是大型渡槽结构动力分析研究和抗震设计的实用静、动力分析方法。     

用样条子结构法分析高层建筑结构

本文提出分析高层建筑结构的样条子结构法,根据抗侧力体系的布置,把高层结构划分成几个子结构,采用样条级数与三角级数来描述子结构的位移场,在变分原理的基础上形成子结构刚度矩阵,考虑各子结构间的位移协调与边界条件,建立结构的总体刚度矩阵。与有限元及有限条法相比,具有精度高,计算量小,程序易编制等特点,且对各种类型的高层建筑结构均可适用。实例计算表明,本文方法精度能满足工程设计的要求。     

高层空间框架结构动力分析的超级元子结构模型

本文将超级元和子结构的思想相结合,根据框架结构的变形特点,建立了高层空间框架结构动力分析的超级元子结构模型。模型中将楼面划分为子结构,在总结构层次将各子结构假想为二维连续体后用超级元来描述,而在子结构内部仍用经典有限元三维梁单元模拟。据此,框架梁位于同一超级元内,而框架柱连接不同的超级元。通过假设子结构内部结点自由度与总结构结点自由度的位移关系,得到超级元的质量矩阵以及框架梁和框架柱的单元刚度方程。该模型中空间框架结构的动力和非动力自由度均有大幅度的缩减,而刚性楼面假定可以进一步减少计算量。最后通过一幢30层钢筋混凝土空间框架结构的动力特性分析验证本文理论的正确性和适用性。     

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为研究轻钢增层结构的动力特性,本文详细介绍了以有机玻璃为模型材料轻钢增层结构采用共振法试验的方法．将共振法测试到的模型动力特性,与理论计算作了对比,二者具有较好的一致性,并对试验结果进行了理论与计算分析．     

结构谐振动力响应的有限元、动凝聚、迁移子结构法

本文扩展了FETM法思想,结合子结构、动凝聚及Riccati变换理论,直接求解谐和激励下结构的受迫动力响应,从而节省了运行时间,严格控制了计算精度。本文编制了程序,并以振型叠加法运行结果为参照,对不同算例的运算效率作了比较。结果表明:本文方法在理论上、实践上是切实可行的。     

有多阶固有频率要求的组合结构设计

在各子结构的振协固有特性已知下，通过设计子结构间的连接元件，使得组合结构的多阶固有得到满足，在组合结构动力重分析中，以胳子结构的剩余附着模态作为基保留模态的补充，进行模态缩减，保了计算的精度，提高了计算速度。对具有刚体模态的子结构采取了移频处理技术，文中给出的两个设计计算实例，表明本文方法的有效性。     

固定界面动态子结构方法研究车内噪声问题

随着社会的发展，降低车内噪声越来越受到人们的重视。由于整车结构复杂，本文采用包括软子结构的动态子结构方法，把整车模型划分为多个子结构，包括动力总成子结构、副车架子结构、车身与车内声场耦合子结构、非簧载质量子结构及多个线性和非线性软子结构等。采用固定界面模态综合法，建立整车结构车内声场流固耦合动力学模型。对于车身与车内声场耦合子结构，由于其总质量和刚度矩阵为非对称矩阵，传统的模态叠加法不能应用到耦合系统中，本文引入了左特征向量的概念，用左特征向量左乘原方程，使耦合系统微分方程得到解耦。在已建立的总系统动力学模型基础上，在时域内对前后轴分别激励时汽车振动和车内噪声特性进行仿真模拟，并通过台架试验对仿真结构进行验证。     

基于小波分析与子结构法的未知风荷载作用下高层剪切结构参数识别方法研究

对于未知风荷载作用下高层剪切结构,通过子结构理论将其余部分对子结构的效应作为外荷载施加给子结构,并建立风荷载作用下的动力方程。应用函数的小波多尺度逼近方法将产生低频响应的风荷载表示为尺度函数的线性组合,根据动力方程构造结构参数和低频小波系数的识别方程。用最小二乘法识别结构参数和低频小波系数,由识别的参数和结构响应计算未知激励。分析结果表明,该方法对结构参数的识别误差在2%以内,有一定的抗噪性。     

改进的无界面子结构模态综合法及其补偿子结构

本文分析了无界面子结构模态综合法的特点,考虑子结构之间相互动力影响,提出一种直接对子结构低阶模态组成的Rjtz减缩基进行修正的改进方案。引入了无界面补偿模态,以补偿被截去的子结构高阶模态的影响;引入了补偿子结构,以提高补偿效果和减缩效果。算例表明,与原无界面法相比,改进的无界面子结构方法具有精度高、计算量小,减缩效果好等优点。     

有多阶固有频率要求的组合结构设计

在各子结构的振动固有特性（固有频率、振型）已知下，通过设计子结构间的连接元件，使得组合结构的多阶固有频率得到满足。在组合结构动力重分析中，以各子结构的剩余附着模态作为其保留模态的补充，进行模态缩减，保证了计算的精度，提高了计算速度。对具有刚体模态的子结构采取了移频处理技术。文中给出的两个设计计算实例，表明了本文方法的有效性。     

动力子结构模态综合解法的并行算法

本文根据动力子结构模态综合法,提出了相应的并行算法。该算法有效地将整个结构分成独立的多个子结构,然后由多个CPU同时独立求各子结构的分支模态和进行各子结构的分支模态变换。再串行组集界面刚度和质量阵,并求解缩减后的整体方程。最后返回各子结构求结点位移对于(`ω~2`)的模态(φ),这一步也在各CPU内独立地同时进行。该方法在西安交通大学的ELXSI-6400并行机上程序实现,表明能有效地节省计算时间,为一种大型结构动力分析方法。     

贮油沉箱结构温度应力计算分析

本文采用了子结构分析方法对工程中贮油沉箱结构进行了温度应力的计算分析,文中给出了多级子结构的调用关系,计算中考虑了多种荷载工况,对于夹层混凝土刚度变化对结构温度应力分布的影响作了分析研究。     

核反应堆主系统管道的动力特性研究

本文系统研究了核反应堆主系统管道在局部破裂工况下的动力特性及非线性动力响应。采用统一动力子结构方法建立复杂管系的动力计算模型,采用Lanczos法和Arnoldi法分别求解系统的实、复特征值问题,分析了流速大小对系统固有频率的影响,在给定破口处的流体排放力后,采用Lanczos基矢量与模态综合相结合的自由度减缩技术,兼用伪力法、摄动法等技巧,求解管道系统的非线性动力响应。计算表明,采用本文的理论方法所研制的软件对核安全设计审批具有实用价值。文中给出了主系统管道的若干算例。     

固定式海洋平台结构分析程序——DASOS-J(D)的动力分析策略

本文简述了在固定式海洋平台动力分析程序DASOS-J(D)中发展及使用的各种动力分析策略。它以结构分析通用程序JIGFEX为基础,全部动力分析都可采用三维多层子结构模型。在自振特性计算、确定性或随机性动力响应分析等一系列模块中,不但考虑了我国规范和国际惯例的要求,而且发展了一些新的有效方法,使动力分析更为准确、方便与经济。     

DYNAMIC SUBSTRUCTURE METHOD FOR PROPAGATION OF ELASTIC-PLASTIC WAVE INDUCED BY IMPACT

通过建立弹塑性碰撞动态子结构模型,推导了模态坐标下的控制方程,提出了模拟柔性结构碰撞激发弹塑性波传播的动态子结构方法,并对其中的主模态的存在性和主模态截断的收敛性进行了证明.通过对柔性杆纵向碰撞和柔性梁横向碰撞两个算例的计算,并将计算结果与理论解和三维动力有限方法计算结果进行了对比,验证了该方法的数值收敛性和计算碰撞弹塑性波传播的有效性.     

基于SiPESC平台的模态综合法研究及实现

模态综合法作为主流的动力子结构方法,可在有效的精度下缩减整体结构的自由度,特别是对大型复杂结构的动力计算具有较高的效率,已被集成到许多商业CAE软件中,因此把它集成到SiPESC平台上是一项很有意义的工作.本文实现了两种模态综合法的集成,分别是Craig-Bampton方法、多层Craig-Bampton方法.研究工作同时提出了一种高效的子结构界面点搜寻算法,所实现的Craig-Bampton方法考虑了子结构的旋转及平移,多层Craig-Bampton方法可以考虑各种多层子结构的划分方式.SiPESC平台是由大连理工大学开发的新一代的有限元数值计算软件平台,它利用了新型的软件架构和程序设计思想,因此在SiPESC平台上进行程序设计开发是十分方便的.通过构建数值算例同Nastran的计算结果进行对比,数值算例验证了本文实现方法的正确性和有效性.