滑移索结构分析的精确三维有限元法

针对现有滑移索结构分析方法适用范围有限、精度不高的缺点,提出了一种通用、高精度的三维滑移索单元法。基于悬链线理论和Euler-Eytelwein公式,同时考虑了温度效应和滑动摩擦,分别建立了已知单元无应力索长和已知张拉力的三维滑移索单元的基本方程组;利用矩阵微分从单元基本方程组导出了单元的切线刚度矩阵;建立了滑移索结构从张拉到后期加载的全过程精细化分析流程,可实现自动调用建立的各类索单元,准确分析各滑移点的摩擦;通过3个算例的计算及与现有理论解、数值解和试验结果的比较来验证该文所提出方法的可靠性和有效性。结果表明,该文提出的三维有限元法准确可靠,计算效率较高,适用于工程中各种滑移索结构的高精度非线性分析。     

考虑接触点摩擦的索滑移行为分析

连续索在接触点处滑移时会受接触点摩擦的影响,导致连续索在接触点两侧索力不相等。张拉连续索施加预应力时,接触点处的摩擦力使远离张拉端的索段预应力存在一定程度的损失。针对索在接触点处滑移时的摩擦问题,该文采用有限质点法,将连续索离散成相互联系的质点集合,质点间通过索单元连接,滑移索单元内力根据接触点力传递系数和索单元原长不变原则求解。该文推导了考虑接触点摩擦的滑移索单元内力求解公式,提出了索滑移判定准则,并给出了接触点力传递系数计算方法,通过自编程序对算例进行计算分析,验证了考虑接触点摩擦的滑移索单元的正确性和合理性。     

拉索静力状态的高精度无迭代求解方法研究

拉索的静力状态由索形、索张力和无应力索长等多个参数共同表示。在结构分析和实际施工中,经常需要在已知索张力或无应力索长等部分参数时,完全确定拉索的静力状态。对比讨论了拉索静力计算的三种常用理论(悬链线索形理论、抛物线索形理论和Ernst简化理论),归纳总结了后两者相对于悬链线索形理论的近似前提。由基于悬链线理论的精确解出发,通过引入高阶近似,推导得到两种不同情况下的高精度的水平分力无迭代计算公式,继而直接确定拉索静力状态的所有参数。以珠江黄埔大桥斜拉桥工程为例,对比了不同方法的计算结果,验证了该文方法的优越性。     

滑动索系结构分析中的摩擦滑移索单元

为精确分析滑动索系结构的内力和变形,创建了一种考虑摩擦力影响的新单元。首先利用作者推导的拉索静力解析解,推导了索段端点的单侧滑移刚度,并给出了其显式表达式,从而可确定连续长索在支撑点处的摩擦滑移刚度。被称为“摩擦滑移索单元”的新单元有三个节点,中间节点为支撑点。它由两个弹性悬链线单元组合而成,并根据支撑点处的两侧索力、滑动方向和摩擦滑移刚度调整两索段的索原长,使支撑点两侧的索力满足摩擦关系。算例验证了新单元算法的正确性和高效性。新单元可直接用于常规的有限元分析中,研究处于工作状态或施工中的滑动索系结构。     

索杆结构中索滑移行为分析的有限质点法

索杆结构成形过程中,连续索在一些节点处能够相对滑移,索与节点间的连接不能按铰接简单处理,传统有限元对此类问题的求解多有不便。针对索在节点处的滑移问题,该文采用一种新型分析方法—有限质点法,将连续索离散成相互联系的质点集合,质点运动满足牛顿第二定律,索的滑移行为通过质点的运动来描述。该文推导了滑移索单元内力求解公式,提出了滑移索单元的判定方法,通过自编程序对算例进行计算分析,验证了滑移索单元的正确性和合理性。     

弦支穹顶环索连续贯通的摩擦问题分析

在弦支穹顶结构工程中,环索通常连续贯通。为了能够准确、便捷地分析摩擦力在贯通环索张拉成型过程中的影响,该文利用一个4节点4单元算例,对张拉过程中单元内力的变化与分布进行了详细的阐述,并利用贯通环索在张拉滑动前后其无应力长度相等的原则,提出了贯通环索在张拉过程中摩擦力的计算方法。并利用这一摩擦力的计算方法,以摩擦系数、张...     

悬索桥索股下料长度求解方法及其影响因素分析

 采用基于通用有限元软件ANSYS的二次开发语言APDL编程实现悬索桥主缆索股无应力索长的自动化求解,程序中根据中心索股空间坐标建立局部坐标系,在此坐标系内建立其他索股相对于中心索股的排列,建立主缆各索股各关键点之间的真实空间模型,考虑索鞍处的圆曲线修正,提取单元长度,得到各索股的真实索长．算例表明:恒载集度、控制点坐标误差、温度是主要影响因素,其他因素影响较小;同一索股内钢丝长度差值最大为6.75 cm．结果表明该方法计算精确、使用方便,应用于空间索面自锚式悬索桥等复杂结构的主缆无应力长度的求解工作时能有效减少工作量．     

正交异性薄膜非线性振动分析

根据大挠度理论建立了正交异性薄膜的非线性动力学方程并对其展开分析。根据薄膜动力学特性建立薄膜振动问题的控制方程组;根据物理和边界条件对方程组进行简化和解算,得出其线性解析解和非线性解析解。利用伽辽金算法得出薄膜非线性振动频率的近似解。通过算例分析验证了近似解的准确性和精度,并对其误差进行了分析。分析结果表明近似解结构简单,且具有较高的精度和较大的适用范围,能够为膜结构工程设计提供理论计算依据。     

考虑滑移效应组合梁弯曲应力和界面剪力分析

在实际工程中,通常采用换算截面法计算组合梁应力,而不考虑截面滑移的影响。但是当组合梁采用部分剪力连接或者需要考虑疲劳问题时,忽略滑移的影响可能会引起较大的误差。该文推导了考虑界面滑移效应的简支组合梁在多种荷载工况下的弯曲应力和界面剪力的解析解,并据此进行分析,得到了弯曲应力和界面剪力在各种荷载工况下的变化规律。根据实际情况,对最不利位置的解析解进行了简化。经对比,简化计算公式的计算结果与解析解吻合良好。     

求解摩擦接触问题的IGA-B可微方程组方法

该文将等几何分析（Isogeometric analysis,简称IGA）和B可微方程组方法相结合,提出了求解弹性摩擦接触问题的IGA-B可微方程组方法。其中,接触边界的几何形状由非均匀有理B样条（NURBS）精确描述;接触条件则表示成B可微方程组的形式,可被严格满足,且在一定条件下求解该方程组的算法收敛性有理论保证。数值算例验证了该文方法用于求解弹性摩擦接触问题的有效性,计算精度较高,通过与ANSYS软件中的接触模型相比,计算自由度数可以大量节约。     

索结构分析的滑移索单元法

为了分析索结构中索段在鞍座上的滑动问题,创建了一种新的单元。单元算法的推导基于有限元分析的基本原理,并利用了处于平衡状态时单元内力之间的关系。被称为“滑移索单元”的新单元可以模拟索段被滑轮或鞍座支承。它可以通过自动调整两侧索段的长度使单元处于平衡状态,从而简化了计算。新单元可以直接用于常规的有限元分析中,研究处于工作状态或在施工中的索结构。介绍滑移索单元的推导过程,用设计算例验证了它的正确性,并举例说明了它在实际工程中的应用。     

已知索端预张力或预应力状态索长的索原长求解技术

H.B.Jayaraman在80年代推导的悬链线索元有限元计算精度高,特别适用于精度要求比较高的大型索结构,但需要已知索原长。而索结构施工时通常是以控制索端张拉力或测量预应力状态下的索长来达到结构的设计应力状态。推导了索端张力及预应力状态下索长与索原长的增量函数关系,采用迭代方法求解索原长,计算稳定且收敛快。     

基于拉索静态线形的索力测定

为了充分利用现代测量技术解决索力的精确测定问题,作者基于索段的解析式建立了一种索力测定方法。测得索上三点的相对位置后,就可通过求解非线性方程组得到索力。激光测量仪器可在一个测站对多根索实现快速测量,从而保证了该方法的快速和高效,并且本方法避免了常用的索力测定方法的一个重要不足,即精度受拉索端部条件影响较大。数值算例表明,不考虑索的弹性、由于索的微振动等原因引起的相对位置测量误差等,对索力值的影响都可忽略不计。某斜拉桥工程算例也证明了本方法的微精确性和实用性。本方法可精确测定处于施工过程中和处于使用状态的拉索的索力。     

考虑中间支撑的拉索等效索长计算方法

频率法测索力广泛应用于索结构的施工控制、状态评估和健康监测,减振器和阻尼器等中间支撑的存在会影响拉索的振动频率,从而降低频率法计算索力的精度。为寻求考虑中间支撑影响的索力计算方法,基于拉索振动微分方程和能量原理,构造了拉索等效索长的计算公式,通过该方法,目前提出的各种基于固结边界的索力实用公式均能适用。与有限元方法分析结果进行了比较,表明该方法具有良好的计算精度和适用范围。同时,由于拉索的等效索长计算公式简单,因而便于实际工程应用。     

索的非线性有限元与调索方法研究

介绍了索单元几何非线性刚度的各种模拟方法并进行了评述,采用悬链线理论推导了一种新的柔性索单元切线刚度矩阵及单根柔索的各种非线性计算公式,用变形后线密度q的回代来反应弹性伸长和温度的影响,概念清晰、公式简洁、迭代效率高;还介绍了用增量调索法、绝对索力调索法、无应力索长调索法进行索单元张力的施加及调整的原理,而无应力索长并配合螺母旋转角度调索法可实现任意次序调索,操作性强、效率高、精度好。     

准运动水线三维连续弹性拉索风雨激振理论模型

以三维连续斜拉索为研究对象,推导了风雨激振发生时拉索在面内面外的运动微分方程,建立了准运动水线三维连续弹性拉索风雨激振的理论模型。为简化复杂问题,将水线的运动规律近似成正弦形式,并且假定水线平衡位置、水线振动幅值与来流风速的关系。首先将水线固定在拉索表面,得到了典型驰振的响应;接着详细研究了来流风速、水线振动频率、水线形成位置、风速剖面和拉索阻尼比等对三维连续拉索的风雨激振响应的影响。     

索结构静力分析的新型拉索单元研究

总结和分析不同工况下索结构中拉索的受力特点, 将拉索行为归纳为已知原长和已知索力两种典型受力情况。利用悬链线拉索解析解的线性展开, 并引入适当的约束条件, 建立两种新型的拉索单元, 给出单元切线刚度矩阵的显式表达。提出索结构非线性静力分析的一般迭代算法, 算法中利用等效线自重考虑弹性变形对拉索静力状态的影响。以斜拉悬臂结构的多阶段安装为例, 分别采用该文方法和传统方法针对不同工况进行了索结构分析, 对比计算结果证明了该文新型单元和算法的效率和精度。     

索牵引并联机器人中变长度柔索的动力学分析

现有索牵引并联机器人研究中大多将柔索处理成简单的索杆单元,没有充分考虑柔索的动力学特性对末端执行器定位精度的影响。为此,本文提出了一种柔索长度慢速变化时的索牵引并联机器人动力学模型。文中首先推导了描述变长度柔索动力学特性的偏微分方程,空间离散化后采用有限差分法将其转换成普通微分方程。然后,根据末端执行器与柔索之间的动力耦合关系,得出索牵引并联机器人的动力学模型,模型中同时包含有柔索和末端执行器的自由度。最后,给出两个算例来验证本文模型的有效性,同时说明工作空间巨大时考虑柔索动态特性的必要性。