铁摩辛柯梁单元刚度矩阵推导

为明确ANSYS中基于铁摩辛柯梁理论的Beam188单元的单刚矩阵,以形函数为基础,根据最小势能原理系统给出了铁摩辛柯梁单元的刚度矩阵推导过程,尤其将常规2节点单元的刚度矩阵扩展至3节点单元,包括等截面梁和变截面梁,并给出了各自的单刚矩阵理论表达式。以矩形、圆形、箱形和圆环四种截面为例,分别给出单刚矩阵理论值与ANSYS中Beam188单元刚度矩阵进行对比。结果表明,3节点等/变截面梁的单刚矩阵与理论推导所得结果一致,但2节点梁的单刚矩阵与理论推导所得结果存在偏差,且此偏差仅表现在与弯曲相关的元素中,并且随着单元长度的减小,两者的偏差也越来越小。另外,对比时应注意,ANSYS所得截面参数如剪切系数和极惯性矩与理论值存在较大偏差。     

???????????????????????????о?

针对连续Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵,分析了在使用连续梁单元 进行结构动态特性分析中的数值问题. 基于连续梁单元的运动方程,导出了连续 Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵. 分析了影响动态刚度矩阵中双曲函 数自变量的各个独立变量及其产生的影响,并给出了初估连续梁单元合理长度的方法. 使用 单一连续Bernoulli-Euler和Timoshenko梁单元的动态刚度矩阵分别进行了悬臂梁频响曲线 的数值求解. 研究表明,在合理选择连续梁单元的长度时,大多数工程结构的动态特性分析 中都不会产生数值问题.     

薄板弯曲单元的精化矩阵

本文提出一个改进薄板弯曲单元计算精度的一般性方法：用精化矩阵对原有的单元刚度阵进行修正。实践表明，这种方法可以有效地改变单元的刚柔特性，从而达到提高单元精度的目的。文中证明了，单刚中加进精化矩阵不会破坏原来单元的收敛性质。     

薄板弯曲单元的精化矩阵

本文提出一个改进薄板弯曲单元计算精度的一般性方法：用精化矩阵对原有的单元刚度阵进行修正。实践表明，这种方法可以有效地改变单元的刚柔特性，从而达到提高单元精度的目的。文中证明了，单刚中加进精化矩阵不会破坏原来单元的收敛性质。     

一种考虑初始垂度影响的非线性索单元

本文首先运用Mathematic的符号运算功能，通过解偏微分方程给出了不等高单索的显式解析解，然后把该解析解应用于索微元的应变计算中，在此基础上用虚功原理推导了考虑初始垂度影响的两节点非线性索单元，并给出了索单元的单刚矩阵的具体形式，通过与两节点直线索单元的单铡矩阵的形式的比较，明确了该曲线非线性索单元的修正项，并给出了垂度影响因子的变化曲线。比较直观的给出了垂度对索单元刚度各项的影响程度。该非线性索单元既有多节点索单元精度高的特点，又有节点少，刚度元素较易求解以及有限元列式简洁等特点。本文通过两个数值算例表明，本文的非线性索单元是正确的，也表明了所编制的非线性计算程序是正确和可靠的。     

移动荷载作用下地基动力分析的有限元方法

通过对地基动力问题的基本方程进行变换,把基本方程变换到随荷载移动的运动坐标系中,通过加权残数法推导了相应的单元刚度矩阵,从而建立了移动问题的有限元格式,并发现移动荷载问题的单元刚度矩阵是对相应静力问题单元刚度矩阵的修正,在静力单元刚度矩阵的主对角元素上增加与移动速度有关的项,即可得到移动问题有限元的单元刚度矩阵,这样就将动力学问题转化为“拟静力”问题处理。文中用移动问题有限元方法计算了地基的动力响应,并与解析解进行了对比,以说明本方法具有较好的精度。     

一种具有强耦合作用的有限元单元刚度矩阵组装策略

讨论了对起重机械结构进行有限元静、动力分析时的一种特殊单元——钢丝绳单元的强耦合特性,研究了将钢丝绳单元刚度矩阵往总刚度矩阵组装时的策略,以方便地在现有的有限元分析程序中引进该单元。     

纤维杆元模型在框架结构非线性分析中的应用

本文基于Fiber模型,结合分段变刚度概念,推导建立了便于框架结构非线性分析应用的纤维杆元模型,即由杆件两端弹塑性区的纤维子单元及杆件中部弹性区的弹性子单元组成。弹塑性区由于受力较大,采用精细的纤维子单元模拟,中间弹性区受力相对较小,直接采用弹性子单元代替;同时,应用增分理论,分别推导了三维纤维子单元及弹性子单元的单刚矩阵,并采用静力凝聚方法,集成了三维纤维杆元模型的刚度矩阵。另外,直接应用混凝土及钢筋的本构关系,利用该计算模型对一栋12层框架结构进行了时程非线性分析,计算结果与振动台试验结果进行了比较,比较结果表明两者在结构动力特性,位移响应方面等均吻合较好,验证了该模型的有效性,可为推广使用提供参考。     

用有限段法分析箱形薄壁梁

有限段法是一种有限单元半分析法。其基本想法是:沿梁的纵轴线将梁体横向切割成若干节段,节段数目由计算精度控制。梁段单元在横截面上的变形规律用某一已知形函数表述;梁段单元沿纵轴线的变形规律由节段间变形的连续条件控制。将箱形梁扭转的空间问题简化为一维问题。根据最小位能原理,求出每段梁体的单元刚度矩阵。再根据边界条件组成全梁总刚度矩阵。最后,把问题归结为求解一组以位移参数为未知数的线性方程组。     

正交切削过程的刚塑性有限元算法及其实现

对刚塑性有限元用于正交切削分析中的切屑与基体材料分离准则、切屑与前刀面脱离判据等关键技术问题进行了系统的研究;建立了求解该问题的刚塑性有限元基本方程,给出了单元刚度矩阵和节点载荷列阵的详细算法以及金属大变形过程中网格畸变问题的处理技术。利用自行开发的正交切削模拟计算程序,对铝合金ZL-301创削过程进行了全程模拟,计算结果与试验结果吻合。     

一个统一单元矩阵计算的方法

1.引言有限元应用软件系统中,普遍采用有限元位移法。但单元矩阵(刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵、以至载荷列阵)等的计算,多数是逐一给出,部分是以元素簇给出的。本文将讨论不同类型元素的单元矩阵的统一算法和程序实施技巧,给出计算精密单元和几何非线性单元方便、有效的途径,达到以积累插值函数积累单元矩阵库的目的。     

薄壁箱梁广义坐标法刚度矩阵的推导及应用

在符拉索夫广义坐标法初参数方程的基础上,推导出可用于均布扭转荷载作用下薄壁箱梁翘曲分析的刚度矩阵,该刚度矩阵具有较高的单元精度,可用于由较多薄壁箱梁组成的复杂结构的整体有限元分析。通过对广义坐标法刚度矩阵和乌曼斯基理论、修正乌曼斯基理论求得薄壁箱梁的位移和应力进行分析比较,为各方法在实际工程中的应用提供一定的参考。     

谱元法研究桁架结构的振动带隙特性

采用谱元法研究了桁架周期结构的带隙特性.从杆和梁的运动方程出发,推导出与频率相关的插值函数,得到了杆单元和梁单元的动力学刚度矩阵.在频域下将铰结构考虑为一个谱单元,并推导出铰单元的动力学刚度矩阵.将杆/梁单元和铰单元加以整合得到整体结构的动力学刚度阵,进而建立整体结构的运动方程.通过求解整体结构的动力学方程,获得结构的频域响应,进而研究结构的带隙特性.本文将谱元法求解得到的固有频率结果与有限元法进行了对比,分析了单胞数量和材料的变化对结构带隙特性的影响,拓展了谱元法的应用领域.     

高精度九节点非协调曲边三角形平面应力单元

本文利用[1]的方法,构造了一个九节点非协调三角形平面单元.与一般有限元相比可以提高一阶收敛精度,应力可直接在单元节点上得到.形成单刚矩阵时,不需要在单元域内进行数值积分,容易构造曲边单元.文末的算例表明,仅用很少的单元,位移和应力即可获得较高的精度.     

高层框筒和筒中筒结构的整体稳定分析

本文将有限元法用于高层筒 体结构的整体稳定分析。导出了截面含双对称轴的矩形筒的筒单元刚度矩阵和单元几何刚度矩阵。可用于框筒和筒中筒结构的整体稳定计算。计算结果验证了本文方法的精度。     

一种高效率弹塑性有限元分析新方法：增量杂交／混合修正弦线模量法

本文在文献[1]给出的放松应力增量平衡约束的修正余能广义变分原理基础上,提出一种高效率的弹塑性有限元分析的新方法——增量杂交/混合修正弦线模量法。该法保持了文[1]方法的全部优点,而在迭代过程中,依据材料的单向拉伸应力—应变关系,不断改变过渡区和塑性区单元柔度矩阵和塑性矩阵中的弹性模量;并在体积压缩模量不变假设下,相应地改变过渡区单元矩阵中的泊松系数。从而大大降低了迭代收敛次数和单刚计算量,提高了多类变量弹塑性有限元分析的计算效率和收敛精度。     

四节点二十四自由度平板壳单元几何刚度矩阵显式解析式的推演算法研究

几何刚度矩阵的推演是结构几何非线性有限元分析的重点和难点之一。推导几何刚度矩阵显式解析表达式成为简化非线性有限元列式,提高分析效率的关键。本文在协同转动法框架下,基于刚体运动法则对四节点二十四自由度的平板壳单元几何刚度矩阵显式解析式进行了推导和讨论;分析了悬臂梁大转动、不同壁厚条件下简支圆柱形屋顶空间大变位两个经典算例。研究结果表明：（1）几何刚度矩阵的显式计算公式不仅为板壳结构几何非线性列式提供了方便而且具有良好的精度;（2）推导的几何刚度矩阵适用于各类型四边形二十四自由度平板壳单元模型;（3）与数值积分相比,采用解析形式的几何刚度矩阵可以显著提高非线性响应计算效率。     

等直杆单元切线刚度矩阵的精确分析方法

为了有效完成大型铰接单层网壳结构的后屈曲分析,本文采用对杆单元杆端力函数求导的方法推导出了等直杆单元切线刚度矩阵的精确形式。该切线刚度矩阵不受结构小变形限制,适用于结构产生任意大结点位移情况。以六角星桁架、平面圆拱桁架和大跨K8单层网壳结构为算例,采用广义位移控制法进行非线性后屈曲分析,其中预测子采用本文杆单元切线刚度矩阵。算例分析结果表明,本文杆单元切线刚度矩阵在大型铰接单层网壳结构的非线性后屈曲分析中有很强的预测能力。     

等直杆单元切线刚度矩阵的精确分析方法

为了有效完成大型铰接单层网壳结构的后屈曲分析,本文采用对杆单元杆端力函数求导的方法推导出了等直杆单元切线刚度矩阵的精确形式。该切线刚度矩阵不受结构小变形限制,适用于结构产生任意大结点位移情况。以六角星桁架、平面圆拱桁架和大跨K8单层网壳结构为算例,采用广义位移控制法进行非线性后屈曲分析,其中预测子采用本文杆单元切线刚度矩阵。算例分析结果表明,本文杆单元切线刚度矩阵在大型铰接单层网壳结构的非线性后屈曲分析中有很强的预测能力。     

可带铰空间梁单元几何非线性分析的随转坐标法

为了降低可带铰空间梁单元切线刚度矩阵的运算量、提高非线性计算精度,本文首先通过建立单元随转坐标系得到扣除刚体位移后结构变形与总位移之间的关系,进而基于场一致性原则导出空间梁单元的几何非线性单元切线刚度矩阵,并在此基础上根据带铰梁端弯矩为零的受力特征得到考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式。该方法利用随转坐标系下除单元轴向相对位移外的其余五个线位移均为零的特点,降低了计算单元切线刚度矩阵所需的相关矩阵阶次,因此减少了运算量。对对角点受拉铰接的方棱形框架进行计算,得出本文结果与解析解的最大误差为0.226%;对45°弯梁和带铰平面结构的空间受力进行计算,得出前者与已有文献提供的解非常接近,误差为0.027%～2.394%,后者与 ANSYS 计算结果的最大误差为1.082%,表明本文算法具有良好的精度。