THE PARAMETRIC VARATIONAL PRINCIPLE AND NON-LINEAR FINITE ELEMENT METHOD FOR ANALYSIS OF ASTROMESH ANTENNA STRUCTURES

针对大型周边桁架式索网天线由拉索拉压模量不同引起的本构非线性和结构大变形引起的几何非线性问题,给出了基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法. 首先针对含预应力索单元拉压模量不同分段描述的本构关系,通过引入参变量,导出了基于参变量及其互补方程的统一描述形式,避免了传统算法需要根据当前变形对索单元张紧/松弛状态的预测,提高了算法收敛性. 然后利用拉格朗日应变描述索网天线结构大变形问题,结合几何非线性有限元法,建立了基于参变量的非线性平衡方程和线性互补方程;并给出了牛顿-拉斐逊迭代法与莱姆算法相结合的求解算法. 数值算例验证了本文提出的算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于大型索网天线结构的高精度变形分析和预测.     

索网天线找形分析的参变量变分有限元法

针对柔性空间索网天线的非线性特点,建立了基于参变量变分描述索网拉压非线性和共旋列式描述几何非线性的有限元控制方程,应用Lernke与改进牛顿法进行求解.通过对索网预张力平衡计算,证明改进牛顿法比Newton-Raphson法具有更强的收敛能力.进一步将力密度法迭代原理与有限元法结合应用于索网天线的非线性找形分析中,获得了理想的索网构型.本文的索网找形方法可广泛应用于空间索网天线结构的设计.     

柔性索网结构的非线性变形

根据柔索应变与位移的非线性几何关系以及自重作用和温度影响下的平衡方程,采用欧拉描述的坐标系精确地求得了各点的位移和张力的解析解。对柔性索网结构建立的非线性代数方程组应用改进的Powell混合算法编制的高精度DNEQNF程序直接进行求解,给出了平面索网变形分析的数值算例并与相关文献进行了比较。算例结果表明与其它方法相比,本文方法对求解柔索的非线性变形问题求解简单,便于应用。     

基于牛顿-拉夫逊的拉压不同模量问题的数值求解

针对拉压模量不同引起的材料本构非线性,首先,通过引入改进的Heaviside函数将本构方程连续光滑化;然后,基于特征值与特征向量的求导策略,推导有限元求解模型中切线刚度矩阵的列式;最终,提出基于牛顿-拉夫逊迭代格式的拉压不同模量问题的数值求解算法。数值算例验证了本文算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于工程分析中大规模计算问题的求解。     

基于牛顿-拉夫逊的拉压不同模量问题的数值求解

针对拉压模量不同引起的材料本构非线性,首先,通过引入改进的Heaviside函数将本构方程连续光滑化;然后,基于特征值与特征向量的求导策略,推导有限元求解模型中切线刚度矩阵的列式;最终,提出基于牛顿-拉夫逊迭代格式的拉压不同模量问题的数值求解算法。数值算例验证了本文算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于工程分析中大规模计算问题的求解。     

大型索网天线机电耦合动力学建模与主动变形控制

索网天线因其折叠收纳比高、质量轻以及口径大等优点,成为众多空间任务的首选天线形式,但反射面精度较低限制了大型索网天线的在轨性能指标。在索网天线竖向张力索中加入压电陶瓷堆(PZT)作动器,通过主动控制提高反射面的形面精度。首先,将张紧的索网天线分为含有作动器的主动索单元和不含作动器的被动索单元,通过压电本构方程、几何方程和哈密顿原理推导出主动索单元的动力学模型,并与被动索单元一起组装得到索网天线的机电耦合动力学模型。然后,根据天线反射面的初始形面误差和所建立的天线机电耦合动力学模型,基于模型预测控制(MPC)方法计算出各作动器的控制输入电压曲线。最后,以一个10m口径的索网天线为算例,验证本文所建立的模型和控制方法的有效性。     

基于参变量变分原理的直升机系留载荷高性能计算方法

为了保证直升机在舰船上的安全性,必须使用系留设备将直升机系留在舰船上。直升机的系留问题可简化为由机身刚体、索具和起落架组成的杆件系统,索具只承受拉力而不承受压力,起落架只承受压力而不承受拉力。因此,直升机系留问题为典型的强非线性问题,需要发展有效的求解算法。在考虑大变形的情况下,基于参变量变分原理建立了求解直升机系留载荷的高性能计算方法。 该方法利用参变量变分原理能够准确判断索具和起落架的拉压状态,并将材料非线性静力问题转换为线性静力互补问题求解,极大地提高了结果的收敛性。数值算例中,通过与有限元通用软件NASTRAN和ABAQUS计算结果比较,证实了该方法的精确性、收敛性及高效性。     

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.     

大转动曲边柱壳非线性3-D动力学建模及分析

对曲边柱壳受轴向非均匀内压作用下的大转动几何非线性3-D动力学行为进行了研究.基于Nayfeh and Pai[1]非线性壳体理论,给出了考虑几何非线性的3-D混合型（含内力与位移）动力学模型.为了克服该强非线性模型难以求解的问题,依据分析获得的结构静动态变形关系,采用Lagrange方程推导建立了基于结构静态解的曲边柱壳多自由度3-D动力学方程,并对其进行了线性化与降阶处理,结合差分法获得了一套高效的求解算法.与LS-DYNA有限元结果的吻合,验证了本文方法的正确性.最后分析了单元数和计算时间步分别对有限元模型和本文方法的影响,发现求解精度随着计算时间步的减小不断提高直至趋于稳定.同时对采用本文方法获得的曲边柱壳动态变形模式的分析表明:结构动态响应与其所受内压载荷沿轴向的分布形式关系紧密,可以通过改变或者设计内压轴向分布形式来影响以及控制结构的动态变形模式,从而应用于曲边柱壳结构设计及优化的工程实际中.     

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。     

浅曲梁大挠度分析的余能有限元方法

以高玉臣提出的弹性大变形余能原理为基础,利用Lagrange乘子,放松平衡方程和力边界条件对余能泛函的约束,推导出广义的余能原理.根据极分解定理,将变形分为刚性转动和纯变形两部分,则余能也包含相应的两部分,一部分与刚性转动有关,而另一部分与纯变形有关.使用线弹性本构关系,建立了可用于几何非线性计算的有限元模型.应用更新的Lagrange列式法,给出了增量形式的有限元公式.数值计算结果表明,该方法可用于浅曲粱的几何大变形计算.     

基面力概念在几何非线性余能有限元中的应用

以基面力为基本未知量描述一个弹性系统的应力状态并表征单元的余能,将大变形的余能分解为变形余能部分和转动余能部分,采用Lagrange乘子法放松单元的平衡方程,利用已有的弹性大变形余能原理建立了一种几何非线性显式有限元模型,编制了相应的几何非线性余能原理有限元程序. 数值算例表明:该方法具有较好的收敛性和计算精度,可进行大载荷步的大位移、大转动计算.      

基于余能原理的有限变形问题有限元列式

利用基面力概念,推导了一种基于余能原理的有限变形问题显式有限元列式,可应用于结构的大位移、大转动问题。以基面力为状态变量来表达单元的余能,将有限变形情况下的单元余能分解为变形余能部分和转动余能部分,利用Lagrange乘子法推导出余能原理有限元的控制方程,编制了相应的非线性有限元程序。通过算例分析,说明该列式和程序的可靠性和精确性。     

Semiclosed-form solution for static nonlinear analysis of extensible cables

The analysis of a cable deforming under statically applied body forces leads to a series of differential equations that are inherently nonlinear due to coupling of geometry and loading. These equations have been solved by nonlinear finite element technique, finite difference formulation, or a two-step shooting method. However, a semiclosed-form solution is presented herein in which the governing differential equations are integrated to yield exact expressions for the unknown cable forces and the parameters defining the geometry of the loaded cable. The formulation presented herein is capable of taking care of the large sag and deformation in the cable without employing any numerical solution procedure.     

A parallel monolithic algorithm for the numerical simulation of large‐scale fluid structure interaction problems

A novel parallel monolithic algorithm has been developed for the numerical simulation of large‐scale fluid structure interaction problems. The governing incompressible Navier–Stokes equations for the fluid domain are discretized using the arbitrary Lagrangian–Eulerian formulation‐based side‐centered unstructured finite volume method. The deformation of the solid domain is governed by the constitutive laws for the nonlinear Saint Venant–Kirchhoff material, and the classical Galerkin finite element method is used to discretize the governing equations in a Lagrangian frame. A special attention is given to construct an algorithm with exact total fluid volume conservation while obeying both the global and the local discrete geometric conservation law. The resulting large‐scale algebraic nonlinear equations are multiplied with an upper triangular right preconditioner that results in a scaled discrete Laplacian instead of a zero block in the original system. Then, a one‐level restricted additive Schwarz preconditioner with a block‐incomplete factorization within each partitioned sub‐domains is utilized for the modified system. The accuracy and performance of the proposed algorithm are verified for the several benchmark problems including a pressure pulse in a flexible circular tube, a flag interacting with an incompressible viscous flow, and so on. John Wiley & Sons, Ltd.     

NONLINEAR DYNAMIC ANALYSIS OF A LAMINATED HYBRID COMPOSITE PLATE SUBJECTED TO TIME-DEPENDENT EXTERNAL PULSES

Nonlinear dynamic responses of a laminated hybrid composite plate subjected to time-dependent pulses are investigated. Dynamic equations of the plate are derived by the use of the virtual work principle. The geometric nonlinearity effects are taken into account with the von Kármán large deflection theory of thin plates. Approximate solutions for a clamped plate are assumed for the space domain. The single term approximation functions are selected by considering the nonlinear static deformation of plate obtained using the finite element method. The Galerkin Method is used to obtain the nonlinear differential equations in the time domain and a MATLAB software code is written to solve nonlinear coupled equations by using the Newmark Method. The results of approximate-numerical analysis are obtained and compared with the finite element results. Transient loading conditions considered include blast, sine, rectangular, and triangular pulses. A parametric study is conducted considering the effects of peak pressure, aspect ratio, fiber orientation and thicknesses.     

含芯拧绞绳非线性弯曲动力学特性分析与研究

建立细长缆索大柔性多体动力学模型时,现实存在的复杂捻制几何构型多不予考虑,而是将柔索简化为材料均匀梁进行描述,致使运动仿真模型与物理实际存在一定差距. 为此,研究一种典型非线性拧绞绳股的大变形等效动力学建模方法,考虑准静态与大范围运动情况下绳股内的线接触,计算了受摩擦力及弯曲曲率影响的绳股可变弯曲刚度,通过等效梁模型避免了绳股精细建模时的大规模计算消耗. 基于连续介质力学与绝对节点坐标方法,建立了拧绞绳惯性广义坐标下的多柔体动力学模型. 为了验证等效模型的可行性,与基于有限段方法建立的精细模型进行对比仿真分析,通过位形验证了等效模型的精度. 进一步地,根据力载作用下的准静态构型,研究了特定构型绳股弯曲刚度沿轴向的分布规律;通过自重力下一端固定柔性绳摆自由运动仿真并与传统均匀梁模型相比,研究了模型弯曲特性的差异. 最后,根据能量守恒原理分析了摩擦耗散系统内各种能量间的相互转化. 拧绞绳大变形等效动力学模型能够提高绳索动力系统运动预测的仿真计算效率,还能为钢丝绳参数与构型设计提供依据.