形成不同拉压允许应力Michell桁架的有限元方法

提出了形成具有不同拉压允许应力材料的Michell桁架的有限元方法。采用正交异性材料模型,以结点位置杆件的密度和方向作为设计变量,由结点位置的值插值得到有限单元内部的材料性质,材料在设计域内连续分布,这样避免了单元之间材料性质的突变,因此从根本上避免了单元铰接、棋盘格现象以及单元依赖性等数值计算不稳定性问题。提出了一种基于优化准则法的迭代算法,用以形成不同拉压允许应力材料的Michell桁架。由有限元分析得到结点位置处的主应力方向作为杆件方向,根据主应力方向的应变和材料拉压允许应力调整杆件密度。最后由结点位置的杆件方向形成Michell桁架中连续分布杆件。     

结构设计竞赛中纸质杆件相关参数确定及极限承载力研究1）

为确定纸质杆件的材料参数,并研究白卡纸杆件极限承载力的影响因素及杆件极限承载力计算方法,制作多组白卡纸杆试件并进行加载试验.测得白卡纸的泊松比为0.137 3,弹性模量为5.5GPa.杆件的抗压极限承载力受杆件的厚度、内径、长度、截面形状、白卡纸纹理方向以及涂胶宽度的影响;结合压杆稳定相关理论,由数据拟合得到白卡纸杆件极限承载力的近似计算方法;通过公式计算结果与试验结果比较,证明其准确有效.     

结构设计竞赛中纸质杆件相关参数确定及极限承载力研究

为确定纸质杆件的材料参数,并研究白卡纸杆件极限承载力的影响因素及杆件极限承载力计算方法,制作多组白卡纸杆试件并进行加载试验.测得白卡纸的泊松比为0.137 3,弹性模量为5.5 GPa.杆件的抗压极限承载力受杆件的厚度、内径、长度、截面形状、白卡纸纹理方向以及涂胶宽度的影响;结合压杆稳定相关理论,由数据拟合得到白卡纸杆件极限承载力的近似计算方法;通过公式计算结果与试验结果比较,证明其准确有效.     

非线性弹性杆件的位移

非线性弹性杆件的位移胡国华（重庆大学力学系，重庆６３００４４）１前言由于新材料不断增多，尤其是高分子材料和复合材料增多，应力。应变呈非线性弹性关系的材料也不断增加，由这些材料制成的杆件的位移计算问题将更多地出现。计算线性弹性梁的位移的方法目前已有近２...     

粘弹性应力集中系数的研究

本文利用自制的光粘弹性材料,用光弹性法研究了在轴向拉伸荷载作用下带有圆孔的杆件中的粘弹性应力集中系数。文中提供了杆件在荷载作用后6秒内每间隔1秒的等差线照片,叙述了有关实验及计算结果,並讨论了确定粘弹性应力集中系数的实用方法的途径。     

一种基于平均场理论的格栅材料均匀化方法

将颗粒材料中发展的一种基于平均场理论的解析均匀化方法应用于二维周期格栅材料;依据尺度分离原理和统计均匀表征元概念构建了格栅材料的两尺度均匀化模型,包括细观杆件单元的本构关系、细观位移-宏观应变关系式以及应力的细观力学表达式;推导了两种二维周期格栅材料等效弹性参数包括弹性模量、泊松比和剪切弹性模量的细观力学表达式。结果表明:等边三角形结构等效为各向同性连续体时,弹性参数表达式与文献中其他方法所得结果一致;正方形结构均匀化为正交各向异性连续体时,主平面内弹性模量等于杆件单元轴向刚度,泊松比和剪切弹性模量分别由杆件单元的泊松比和剪切刚度决定,符合正方形格栅材料的力学特性;对于非主平面内的正方形本构矩阵,选取坐标轴与材料主轴夹角为45°的方向为例进行推导,本文方法与坐标变换方法所得结果一致。以上结果均验证了本文所发展方法的有效性。     

非线性材料杆系结构的内力求解

随着科技的发展,已研发出了许多非线性材料,这些非线性材料组成的结构已在工程实际中得到了广泛应用.本文研究了静不定非线性材料结构杆件内力的求解这一关键问题.利用非线性材料结构余能及静力平衡条件,构造了新泛函数,对新泛函数进行一阶求导,即可方便求得静不定非线性材料结构杆件的内力.同时,指出了非线性材料杆系结构的内力求解时存在漏解的原因:结构材料的应力与应变本构关系为非线性幂函数,把结构余能对杆系的内力求一阶偏导,令所得到的位移方程等于零,该方程为一元二次方程,应有两个实数解,而有关文献却遗漏了一个实数解.     

小变形轴力杆件的变形位移方程

从杆件变形量的定义出发,利用两点间距离公式,导出了小变形轴力杆件的变形位移方 程. 此方程形式简洁,计算方便,对线性和非线性材料的小变形问题都可应用,也不必区分静定 结构和超静定结构,还可以方便地处理支座沉陷问题,因而广泛适用于桁架结构的受力分析.     

柔性套管约束下轴心受压杆件的屈曲分析

针对柔性套管约束杆件,研究了轴压杆件与约束杆件点、线接触时的约束屈曲．在小挠度变形假设下,根据轴压杆件与约束杆件满足变形协调条件的二阶平衡微分方程,推导了轴压杆件挠度、轴向位移、接触反力的计算公式,并且由轴向压力唯一确定了线接触的长度．算例分析表明：当约束杆件刚度较小时,轴压杆件弯曲产生的轴向位移较大；当约束杆件刚度较大时,轴压杆件弯曲产生的轴向位移较小,该轴向位移与文献中的大挠度解吻合很好,从而得出小挠度变形假设是合理的．     

伪弹性形状记忆合金杆屈曲行为研究

对不同长细比伪弹性TiNi合金矩形截面杆进行了压缩试验,通过应变片和热电偶来捕捉杆中间截面表层材料的相变演化,采用热电偶测量杆中间截面受拉侧的温度,分析了长细比和材料相变对杆件承载能力的影响。结果表明:加载和卸载阶段,两端夹支TiNi杆的载荷-应变曲线随着长细比的改变发生明显的变化,对于短杆,相变会提高其承载能力;对于长杆,其极限承载能力取决于长细比,相变的影响集中在后屈曲阶段;对于低长细比杆件,加载阶段温度持续升高,而高长细比构件,应变达到最大值时温度已开始下降,所有杆件在卸载结束时的温度均低于加载初始时刻。     

环形桁架结构径向振动的等效圆环模型

在大型环形网架式可展天线中,环形桁架结构的动力学性能对于整个天线的工作状态至关重要.针对大型空间桁架结构,基于连续体等效的思想,将其动力学模型简化为简单的弹性连续体模型一直是动力学研究的热点.将环形桁架结构看作由重复的平面桁架单元构成的环形周期结构,在周期桁架单元等效梁模型的基础上,提出采用不计剪切变形和转动惯量的等效圆环模型分析环形桁架结构的径向振动,并对等效圆环模型的偏微分运动方程进行了解析求解.首先通过变量代换将描述圆环径向振动的四阶偏微分方程组降阶为一阶偏微分方程组,然后通过对降阶后的偏微分方程组进行Laplace变换将其转化为常微分方程组,并采用微分方程组的Green函数解法,获得了等效圆环模型在复频域下动力响应的解析表达式,进而得到等效圆环模型固有振动的特征方程及传递函数的表达式.最后通过数值算例对环形桁架有限元模型与等效圆环模型的固有频率和振型以及传递函数进行了对比分析,验证了等效圆环模型用于环形桁架结构径向振动分析的可行性.     

Nonlinear analysis of beam–column joints using softened truss model

The aim of this study is to expand the application of the nonlinear softened truss model for membrane elements on beam–column joints. The softened truss model employs three equations for equilibrium, three for compatibility and four equations for the constitutive laws of materials. The constitutive equations for both the concrete and steel are based on the actually observed stress–strain relationships. The model has three important attributes. The first is the nonlinear association of stress and strain. The second, and conceivably more noteworthy, is the softening of concrete in compression due to tensile strains in the perpendicular direction. The third is that the influence of the concrete tensile stresses between cracks on the average stress–strain relationship for reinforcing steel and the influence of orthogonal tensile stresses on the compression stress–strain relationship for concrete can be considered in the model. For beam–column joints, one of the most important factors influencing the behaviour is certainly the bond conditions of the beam bars. In this study, the softened truss model is expanded to take into account the influence of this important factor into account. In the revised version of the model, full strain compatibility does not exist between the steel reinforcement and the surrounding concrete and thus the factors influencing the bond-slip between concrete and reinforcement is adequately considered. The improved softened truss model is applied on 51 exterior beam–column joint tests. It is apparent from the results that the revised model gives very accurate predictions of the shear strength of joints and is an improvement on the existing version of the model proposed by Hsu.     

Application of cellular automata modeling to seismic elastodynamics

This article details application of a physics-based cellular automata (CA) computational approach to model seismic events in an idealized linear-elastic medium. Application of rectangular-celled CA to the seismic problem is shown to yield discrete equations equivalent to the centered-difference finite difference (FD) approach. However, it is emphasized that the discrete equations are arrived at from the ‘bottom up’ using local rules vice ‘top-down’ discretization of global partial differential equations. A further distinction between the two methods concerns the location of stresses and its impact on boundary conditions: the CA approach assigns stresses to the cell faces while the FD approach assigns stress collocated with displacement components at a single node. These differences may provide important perspective on modeling arbitrary geometry with a finite difference-like approach based on cell assembly, similar to finite element analysis. Implementation of the CA paradigm using autonomous, local cells fits naturally with object-oriented programming practices and lends itself readily to distributed computing. Results are provided for an example ground-shock simulation in which a differentiated Gaussian pulse acts on the surface of a linear-elastic half-space. The CA perspective suggests a simple treatment for the free-surface boundary condition. Comparison of the computed pressure, shear, and surface waves to those computed using a staggered-grid finite difference approach demonstrates very good agreement. In addition, the simulation results suggest that the CA approach may exhibit less ‘ringing’ as waves pass, and more symmetry in left-ward and right-ward moving waves. Future directions exploiting attractive attributes of the CA approach are suggested, to include large-scale simulation, multi-resolution analysis, and coupled-field modeling.     

用等效力系变换矩阵求解静不定桁架极限载荷

采用等效力系变换矩阵研究了双模量静不定桁架极限载荷问题．首先证明了固体的等效力系变换矩阵与等效位移变换矩阵是互为转置的矩阵,采用等效力系变换矩阵求解双模量静不定桁架结构的内力,然后再利用静力方程确定双模量静不定桁架结构的极限载荷．当力的变换关系可以根据物理条件容易求得,而位移的变换关系不容易找出时,用等效力系变换矩阵求解静不定桁架极限载荷,就更能显示出其计算过程简洁、清晰等优点．用等效力系变换矩阵求解静不定桁架极限载荷不涉及材料的性质,对各向同性材料、双模量材料静不定桁架极限载荷的求解都适用．     

框填结构等效斜压杆的模型改进及其数值模拟

等效斜压杆理论是模拟混凝土框架填充墙的常用方法之一．为探索该理论在结构抗震动力时程分析模拟中的应用,基于有限元软件ABAQUS,针对某一多层框架砌体填充墙结构案例,建立梁杆单元模型．模型中运用改进后的等效斜压杆宽度计算公式,来定义交叉杆的截面属性,并通过子程序建立材料的非线性本构关系．通过该模型系统分析了其在地震作用下的动力时程响应,并进行了比较研究．计算结果表明,使用等效斜压杆理论对实际框架填充墙进行模拟是可靠的,可以为工程设计提供参考依据．     

框桁式复合墙体抗震性能试验及有限元分析

提出一种新型框桁式复合墙,由钢筋混凝土外框和内部桁式杆件构成。为了研究其抗震性能,按1∶2的缩尺比例初步设计和制作了3个单片框桁式复合墙体,进行了拟静力试验,并采用ABAQUS软件建立了有限元非线性分析模型,重点分析了轴压比、混凝土强度、箍筋配箍率及纵筋配筋率对其承载力和延性的影响。结果表明,墙体桁杆先于外框墙肢产生变形和破坏,最终在墙肢底部与桁杆围成的三角形部位由于弯矩值达到极限而发生破坏,破坏顺序明确,可达到多级耗能的目的;三个试件的延性系数均小于2.5,各试件延性系数的不同说明桁杆截面形式是影响墙体承载力的重要因素;随着轴压比、混凝土强度和纵筋配筋率的增大,试件承载力有不同程度的提高,试件的延性系数随轴压比和纵筋配筋率的增大而减小,随混凝土强度的增大而增大;箍筋配箍率对试件荷载-位移曲线、承载力和延性系数的影响很小;各因素对各项抗震性能的影响程度不同。     

基于细观混凝土模型的时间逆转损伤成像方法

提出了一种针对混凝土结构损伤检测的时间逆转损伤成像方法.以检测混凝土结构中与骨料尺寸相近的微小损伤为目的,引入细观混凝土随机骨料模型,该模型将混凝土结构视为由水泥浆基底、骨料及粘接层组成的三相复合材料,基于Monte Carlo随机样本原理并结合真实试件的骨料级配曲线建立.在数值模拟分析中,将生成含损伤的细观模型导入有限元分析软件进行超声波场模拟,同时采用自适应性强的时间逆转模型(time reversed model,TRM)进行损伤定位.TRM分为正向检测和逆时成像两个部分:正向检测过程得到包含损伤的一系列散射回波信号,从数值角度进行时间反演并作为逆时过程的输入信号;逆时成像过程选用等效弹性参数模型,几何尺寸与随机骨料模型相同,时反信号在相应几何位置同时加载形成时反波场,时反波场在损伤位置会发生干涉叠加从而导致能量峰值的出现,通过确定干涉峰值时刻,并获取该时刻对应原始波场以及小波变换能量场完成成像.与原始数据波场图相比,小波变换处理成像结果消除了杂波干扰,成像结果更加清晰.进一步对等效弹性参数的取值进行讨论,并且在骨料尺寸范围内调整损伤大小,结果显示成像结果匹配度高,对于非均质混凝土结构的损伤检测能很好满足损伤定位需求.由此证明,时间逆转成像方法对于具有复杂结构的混凝土材料的损伤检测具有较好的适用性.     

刚架桁架模型有效性的试验与数值研究

为了比较桁架模型和刚架模型的差异, 结合了一种简单试验结构,实测了试验刚架和桁架的特定截面的内力和中节点位移; 同时应用ANSYS软件对两种模型进行了有限单元模拟. 验证了刚架和桁架两种力学模型的有效性, 通过试验和数值计算的结果, 得到了两种结构的受力特点, 分析了实际桁架和理想桁架的差别, 对结构设计和教学具有一定的参考意义.     

Non-linear closed-form computational model of cable trusses

In this paper the non-linear closed-form static computational model of the pre-stressed suspended biconvex and biconcave cable trusses with unmovable, movable, or elastic yielding supports subjected to vertical distributed load applied over the entire span and over a part (over the half) of the span is presented. The paper is an extension of the previously published work of authors [S. Kmet, Z. Kokorudova, Non-linear analytical solution for cable trusses, Journal of Engineering Mechanics ASCE 132 (1) (2006) 119-123]. Irvine's linearized forms of the deflection and the cable equations are modified because the effects of the non-linear truss behaviour needed to be incorporated in them. The concrete forms of the system of two non-linear cubic cable equations due to the load type are derived and presented. From a solution of a non-linear vertical equilibrium equation for a loaded cable truss, the additional vertical deflection is determined. The computational analytical model serves to determine the response, i.e. horizontal components of cable forces and deflection of the geometrically non-linear biconvex or biconcave cable truss to the applied loading, considering effects of elastic deformations, temperature changes and elastic supports. The application of the derived non-linear analytical model is illustrated by numerical examples. Resulting responses of the symmetric and asymmetric cable trusses with various geometries (shallow and deep profiles) obtained by the present non-linear closed-form solution are compared with those obtained by Irvine's linear solution and those by the non-linear finite element method. The conditions for the use of the linear and non-linear approach are briefly specified.     

钢筋混凝土结构改进型分离式数值模型

提出一种考虑粘结滑移效应的钢筋混凝土改进型分离式数值模型。在混合物理论基础上,该模型兼顾混凝土基体和钢筋的力学行为,且基于钢筋混凝土界面粘结滑移模型,获得了钢筋等效模型。改进型分离式数值模型由于对钢筋及其界面无显式离散要求,使得钢筋的运用完全独立于其几何形状,同时对混凝土网格没有约束,并且不增加计算成本,因此该模型可适用于钢筋混凝土宏观结构层面分析。通过钢筋混凝土构件-结构的爆炸实验,对改进型分离式数值模型进行层次化验证。对比结果表明,考虑粘结滑移效应的有限元模型能够更好地预测钢筋混凝土结构的宏观力学行为。