张拉膜结构的有限元分析

应用有限元程序ANSYS进行了薄膜结构的找形分析和荷载分析．张拉结构受力后将产生较大的位移,因此需要采用非线性理论．通过一系列计算,可以发现影响找形结果的因素有：单元的划分,初始弹性模量的选取,膜的预张力,边索和脊索的预张拉力值及其比值．在实际工程中,由于膜结构建筑要求和边界条件的限制,找到具有极小曲面性质的初始平衡形状较难,因此,一般把应力的差值控制在一定的范围内．工程实例计算结果表明：在风荷载作用下膜结构的竖向位移反应比较大,风吸力通常是索膜结构设计的控制因素．     

张拉整体三棱柱几何作图法找形与找力

力学和几何学是密不可分的,本文给出了一种几何作图法进行端面平行时张拉整体三棱柱的找形方法和作图确定自平衡内力大小的找力方法,并推导出找形后张拉整体三棱柱自平衡内力的力密度计算公式,通过算例验证了几何作图法找形与找力的正确性。几何作图法找形和找力方法操作简单,直观可控,可以在CAD软件中实现,甚至可以纸上手绘实现;自平衡力密度公式简单,表达直观,是力密度法的一种几何实现。     

双向张弦梁找形的有限元法

根据双向张弦梁上弦压力和下弦拉力在节点产生的竖向分力与撑杆高度之间的关系推导了单元刚度矩阵,根据外荷载与上弦和下弦在节点产生的竖向分力相等的原则建立了以撑杆高度为未知数的双向张弦梁找形的线性有限元列式并编制了有限元程序,给出了张弦梁计算时下弦拉索初应变确定方法和张拉控制方法;通过对平屋顶和曲面屋顶双向张弦梁2个算例找形计算和受力分析验证了找形方法的正确性以及撑杆高度与屋面形状的无关性,本文给出的计算方法将撑杆高度作为未知量,考虑了上弦为曲面时拱的作用,计算方便、结果准确.     

膜结构找形方法——改进力密度法

在膜结构找形中,力密度法引入了"力密度"的概念,使问题简化.但力密度法需要多次试算后才能确定合适的力密度取值,很大程度上依赖个人经验,给找形过程带来一定困难.本文针对力密度法的找形过程进行改进,避开其中"力密度"的概念,直接引入膜面应力和索拉力作为初始条件,以节点不平衡力作为控制误差,避免了传统力密度法需要反复试算力密度取值的弊端,使找形计算过程简洁高效.据此编制找形程序,通过复杂算例验证了该算法的正确性和普适性.     

葵花型索穹顶结构等效平面桁架静力计算方法

选取n次轴对称葵花型索穹顶结构的1/n,将空间轴对称结构等效为一次超静定平面桁架结构.给出了葵花型索穹顶结构撑杆不在同一径向上的内力和位移处理方法,推导了力法求解约束力的计算公式,提出了小变形时各点位移计算的位移传递矩阵和计算公式.最后,通过一个算例介绍了该方法的计算过程并与有限元计算结果进行了比较,内力和位移误差均在工程设计要求内,验证了方法的正确性和准确性.     

考虑面力密度的力法找形和预应力精确确定

随着膜结构应用领域的拓宽,实践对膜结构形状的构造提出了各种不同的要求。考虑膜单元的面力密度的力法找形方法,通过调整面力密度能够获得不同形状的曲面。对索膜结构找力分析的优化复位平衡法,能够对给定的拓扑曲面求解获得精确的自平衡预应力分布。把面力密度的力法找形和优化的复位平衡法的找力分析结合起来,能够完成形状构造的全过程,丰富了索膜结构的形状构造理论。     

索穹顶结构的找力分析方法--不平衡力迭代法

索穹顶的刚度和承载能力都是通过施加预应力来获取的,预应力设计是对索穹顶进行任何其它分析的基础,所以它的找力分析(Force finding)是一项很重要的工作。本文提出一种找力分析方法———不平衡力迭代法,它可以克服整体可行预应力法的一些不足:即使在索穹顶构件分组发生错误时仍可找到满足已知形状的预应力分布,并且该方法具有良好的稳定性和运算效率,算例表明不平衡力迭代法非常适合大型复杂索穹顶结构的找力分析。     

一种环形张拉整体结构找形与应用

提出了一种由多个4压杆、12拉杆单元环向均匀布置构成的环形张拉整体结构,并对其拓扑结构和找形方法进行了研究。找形分三步:先根据建筑要求建立环形张拉整体结构初始构形;再对初始构形的拉杆逐级施加初应变,进行几何非线性分析;根据位移-初应变曲线和拉力-初应变曲线折点位置确定张拉整体结构自平衡构形,完成结构找形。在初应变不足0.2%的前提下,结构达到内力自平衡状态,实现结构找形,并得到自平衡内力。本文提出的环形张拉整体结构找形过程直观、可控,收敛速度快。2019北京世界园艺博览会比利时馆采用了该环形张拉整体结构,本文以此工程为例,介绍了环形张拉整体结构的找形过程,分析了自平衡构形内力和结构自重下的内力与变形。     

基于动力松弛法的松弛索杆体系找形分析

索杆张力结构施工成形分析需要解决一个松弛态索杆系统的平衡形态求解问题,该问题可归结为一个给定构件原长的受荷索杆机构系统的找形问题。文中利用动力松弛法进行该类松弛索杆体系的找形分析。由于不建立刚度矩阵,避免了体系几何不稳定性所引起的刚度矩阵奇异问题。该方法采用悬链线索单元模型,可以考虑索大垂度效应。文中还推导了反映索原长和内力之间关系的悬链线索单元协调方程。通过一个正交松弛索网算例分析,考察了该找形方法的计算精度和收敛性。最后还模拟了一个索穹顶的施工成形过程,表明了该找形方法用于索杆张力结构施工成形分析的有效性。     

基于绝对节点坐标法的平面梁有限变形下变形重构

现有的对有限变形条件下柔性结构变形重构的研究往往单纯基于曲率与应变间的几何关系, 同时忽略了被测体的纵向变形及其与弯曲变形的耦合效应. 为得到一种更加精确且能借助现有的力学工具进行应用方向扩展的变形重构方法, 以平面梁为对象, 借鉴变形重构逆有限元法的思想, 将平面梁的变形重构问题视作一类最优化问题. 首先, 通过引入绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)对柔性结构大变形下非线性的平面梁应变?位移关系进行精确描述, 构造了一种逆梯度缩减ANCF平面索梁单元. 然后, 对此逆ANCF单元进行改进, 在简化节点自由度的同时通过引入罚函数确保单元节点处的曲率连续性, 既保证了本问题的适定性, 也提升了最终解的精确性. 最后, 基于该单元利用Newton法构造了平面梁有限变形下变形重构问题的两种求解算法, 即逐单元算法和多单元整体算法, 以实现不同需求下的稳定求解. 数值仿真结果表明, 本方法在大变形条件下的变形重构误差小于1%, 而且在测点较少的情况下依然保持较高的精度, 同时验证了本方法的收敛性与计算效率.      

基于SWT方法的钢绞线索微动疲劳特性分析

为得到钢绞线索丝间接触区的应力场分布并预测微动疲劳裂纹萌生位置和微动疲劳寿命,本文利用参数化方法建立了精细化的钢绞线拉索有限元模型,包括整索模型和不同层丝间接触区域的局部精细化子模型.分析了钢绞线索在两种交变荷载工况下的应力场变化情况,并基于多轴疲劳SWT(Smith-Watson-Topper)临界平面法进行了疲劳特性分析和疲劳寿命预测.主要结论如下:钢绞线索内接触区边缘处的微动幅值较大,中心处几乎没有相对滑动,微动疲劳的初始裂纹萌生点位于接触区域边缘;经不同区域子模型分析比较,在轴向循环荷载作用下,外层钢丝的接触区域比内层钢丝更易发生微动疲劳损伤;在横向位移循环荷载作用下,同层钢丝因位置角度不同而产生了较大的疲劳特性差异,且相比轴向循环拉伸,该工况下最不利单丝的微动疲劳寿命更低;与非接触区域相比,接触区的疲劳寿命大幅降低,微动现象对钢绞线索的抗疲劳性能有明显降低作用.     

基于改进等效平面法的结构系统可靠性分析

将复相关理论引入到结构系统可靠性分析中, 推导了并联体系等效功能函数 的递推公式, 提出了复相关等效平面法. 解决了等效平面法等效原则中不包含相关性信息的 问题, 克服了等效平面法计算并联体系误差大的缺点. 通过算例证明该方法有较高的计算精度, 优于传统结构系统可靠性分析方法, 适合大型结构系统的可靠性分析.     

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。     

单层平面索网幕墙结构的风振响应分析及实用抗风设计方法

单层平面索网玻璃幕墙结构是广泛应用于大型公共建筑中的一种新型结构形式,由于其具有柔性大、质量轻、阻尼小、自振频率低的特点,属风敏感结构。由于单索幕墙具有较高的几何非线性,本文采用基于随机振动理论的模态叠加频域方法进行了单索幕墙结构的风振响应分析。将模态叠加频域方法的计算结果和非线性时程分析方法的精确计算结果进行了比较,证明了该方法的准确性。并且本文通过分析各阶模态对单索幕墙结构风振响应的贡献,得到脉动风荷载下结构的振动以第一阶模态为主的结论。根据该结论本文采用频域方法推导了单索幕墙结构的位移均方差和索内力均方差的实用计算公式,同时考虑单索幕墙的结构特点提出了基于结构响应的单索幕墙结构实用抗风设计方法。     

基于整体位移模式的平面裂纹结构数值模拟方法

对于平面裂纹问题,针对扩展有限元法和无网格伽辽金法的不足,从结构的整体位移模式出发,提出了一种新的数值模拟方法。在整个求解域内构造其试探函数,并引入裂纹修正项描述裂尖处的奇异性和裂纹面的强间断特性;同时,提出了一种新的强制边界条件施加方法,通过引入位移边界水平集函数,将位移边界条件包含在近似位移场的表达式中,有效地解决了位移边界条件问题,减小了刚度矩阵的阶数,非常方便地消除了刚度矩阵的奇异性,降低了线性方程组的求解难度。含裂纹矩形平板结构的数值算例验证了该方法的有效性。     

基于模糊推理网的高层结构智能型式优化方法与系统

首先,给出了一种改进加权模糊推理网,建立了基于该推理网的结构性能评价过程与方法,该网兼有模糊综合评判、模糊推理与模糊推理网等算法共同优点;然后,给出了一种基于模糊综合评判的优选法,将其与六个目标级性能的评价网集成,形成了兼有性能评价与优选功能的集成推理网络系统,给出了该集成系统的网络结构图及其决策函数,同时,建立了基于上述方法的结构智能型式优化支持系统;最后,给出了工程实例,结果与实际吻合。实践表明:该方法能以直观的方式表征、存储与利用领域专家在型式优化时的知识与策略,并克服了传统基于模糊逻辑与神经网络的型式优化系统的不足,是解决具有多目标、多层次及不确定信息的型式优化问题的有效方法。     

基于功能度量法的桁架结构非概率可靠性拓扑优化方法研究

在结构优化中,拓扑优化相比于尺寸优化和形状优化,设计空间更加广泛,因而能够取得更大的效益.近年来,结构拓扑优化逐渐成为人们研究的热点和难点.随着科学技术的发展,工程结构越来越复杂,材料本身和外部环境的不确定性影响加剧,因此在拓扑优化中需要考虑不确定性的影响.本文研究了桁架结构的非概率可靠性拓扑优化问题,用区间模型来量化...     

固定网格下基于光滑变形隐式曲线的孔形优化设计方法

孔形优化设计是减缓开孔结构孔边应力集中的有效手段,其对应力分析精度和孔边曲线的几何表达能力都有着较高的要求．论文针对现有固定网格孔形优化方法分析精度较低和/或孔边曲线变形能力有限等不足,采用有限胞元方法在固定网格下对开孔结构进行高精度的力学性能分析,采用能够自由光滑变形的隐式曲线描述待优化的孔洞边界,进而建立优化模型并推导出相应的解析灵敏度计算公式,形成了固定网格下开孔结构孔形优化设计新框架．通过对不同载荷边界条件下的开孔平板结构进行孔形优化设计,表明本方法无需网格更新、灵敏度推导简便、力学分析精度高且优化设计空间大,能够有效降低孔边应力集中程度．     

基于波动法的框式结构功率流主动控制方法与实验研究

为了研究扰动影响下框式结构中的功率流传播与主动控制,首先采用波动方法建立了框式结构的动力学模型并获得了其在扰动下的精确动力学响应,进一步得到结构中传播的功率流,并以此为目标函数,优化得到了最优控制力的大小与相位,然后对结构施加最优控制力,实现了框式结构的功率流主动控制.对框式结构功率流主动控制方法进行了数值计算分析与实验验证.结果表明:采用波动方法计算框式结构的动力学响应精确可靠;通过数值计算与实验研究可知功率流主动控制可以明显降低框式结构全频域内的抖动,验证了基于波动方法功率流主动控制的正确性与有效性.     

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。