多尺度有限元建模与分析的部分混合单元法

提出一种用于结构多尺度有限元建模与分析的部分混合单元法,实现整体宏观模型与局部精细化模型边界条件的直接传递.将宏观模型的一部分附加建立到精细化模型的周边,该部分单元外侧边界节点的相对坐标与宏观模型一致,从而根据节点坐标对应施加整体分析获得的节点力或节点位移;该部分单元内侧边界的低维度单元与精细化模型的高维度单元之间采用多点约束或基于面约束的线-面接触单元连接,以保证不同尺度模型在界面的变形协调.通过组合梁算例分析表明:部分混合单元法的位移计算结果与目标解精确符合,应变计算结果在断面中心处误差为0.3%~4.4%,在断面侧边缘局部小范围最大误差约7.9%,该方法相对于整个结构的多尺度混合单元模型,在保证计算精度的同时,大大减轻了建模工作量和计算成本.     

改进的混合界面动态子结构法及基在车身结构动力分析中的应用

本文针对现行的混合动态子结构法进行改进，提高了模态综合效率和精度。将改进的方法运用到承载式车身结构动力分析中，采用空间梁单元和板壳单元进行车身结构有限元建模，对车身结构进行了子结构划分计算，计算结果表明，该法计算量小，综合效率高，避免了以往方法计算量大，精度不够高，对计算机内存要求高的缺陷，而且为该型车的动态性能评估和进一步研究定型提供了理论计算依据，表明该方法具有实用推广价值和应用前景。     

基于多点约束的多尺度混合试验界面连接方法与验证试验

针对现有计算单元难以精确模拟结构局部复杂力学特性的问题,提出一种集成试验单元的多尺度混合模型构建方法.在不损失界面自由度的前提下,利用多点约束法实现了ABAQUS多尺度壳单元和实体单元分别与单柱试验单元的界面连接;基于Open Fresco平台,以底层中柱为试验单元进行了两层两跨平面钢框架的多尺度抗震混合试验,与有限元对比分析表明:多点约束法能够有效地实现不同尺度单元间的边界变形协调;试验单元能够真实直接地模拟结构重要部位的受力特性;在满足工程应用精度的前提下多尺度混合模型能够节约计算资源和时间,为改进结构抗震分析可靠性提供了新的研究手段.     

基于动态子模型法的结构动响应预示方法

研究了基于动态子模型法的结构动响应预示方法基本理论,并建立了可应用于复杂切割边界条件下的匹配插值方法.首先以壳-壳及壳-体2种子模型为研究对象,探究动态子模型法在2种模型中的动响应分析精度及计算效率.以复杂卫星模型为研究对象,验证了动态子模型法在复杂结构中的应用性.研究结果表明:在保证局部运算精度的情况下,子模型法可以极大幅提高运算效率;壳-壳子模型法和壳-体子模型法通过1层切割边界节点和3层切割边界节点即可保证较高响应预示精度;在复杂结构中整体模型网格与子模型网格大小相差较大的情况下,子模型法仍能获得较理想的响应预示结果.     

改进的混合界面动态子结构法及其在车身结构动力分析中的应用

本文针对现行的混合界面动态子结构法进行改进，提高了模态综合效率和和精度．将改进的方法运用到承载式车身结构（ＳＶＷ７１８１）动力分析中，采用空间梁单元和板壳单元进行车身结构有限元建模，对车身结构进行了子结构划分计算．计算结果表明，该法计算量小，综合效率高，避免了以往方法计算量大、精度不够高、对计算机内存要求高的缺陷．而且为该型车的动态性能评估和进一步研究定型提供了理论计算依据，表明该方法具有实用推广价值和应用前景．     

基于多尺度模型的装配整体式混凝土框架结构抗震性能分析

装配工艺的要求和连接接缝的引用使装配式混凝土结构的数值模拟分析面临新的挑战，计算效率与模拟精度之间的矛盾变得更加突出。基于通用有限元软件ABAQUS，采用多尺度建模，模拟分析了装配整体式混凝土框架结构的抗震性能。首先，基于装配整体式混凝土梁柱子结构的试验数据，验证了多尺度单元界面连接方法的正确性。然后，对装配整体式混凝土框架结构的多尺度模型进行了静力推覆分析和动力弹塑性时程分析，并与现浇混凝土框架结构的地震响应和损伤情况进行比较。结果表明，多尺度建模能有效提高计算精度并降低计算成本，很好地模拟装配整体式混凝土框架结构的破坏特征和整体结构的抗震性能；与现浇结构相比，装配整体式框架结构在单向静力推覆作用下抗侧刚度更小、延性更好，在7度罕遇地震作用下抗震性能相近，顶层最大位移增大了3.8%；多尺度建模方法可用于装配式混凝土结构分析。     

压力容器有限元计算中的整体建模方法研究

在压力容器有限元计算中,通常仅针对所关心局部区域进行建模;但局部建模将带来边界条件难以确定的问题。针对一受内压作用的过热器强度计算问题,提出一种实体单元/壳单元混合建模的整体建模方法。对较厚区域,关注的局部区域及结构不连续区域采用实体单元建模;其余薄壁结构用壳单元建模。通过改变实体单元/壳单元连接位置,建立不同的计算模型。计算结果和实测结果比较表明:通过合理选择壳单元和实体单元连接位置,该整体建模方法所得计算应力能与实测应力较好吻合。既避免了局部建模边界条件难以确定的问题,又达到了减小整体模型计算规模,同时保证局部计算精度的目的,为类似的工程问题提供了参考。     

非延性框架结构多尺度建模与抗震性能分析

为了研究非延性框架结构的抗震性能并开发有效的仿真分析方法,采用有限元软件ABAQUS建立了非延性框架结构的多尺度模型,对其滞回曲线、骨架曲线和中节点的损伤情况进行了分析,并将其与一榀非延性框架试验结果进行了比较、验证,在此基础上建立了非延性框架结构的多尺度建模方法,并用建立的模型与其它分析模型进行了性能比较,最后对影响框架结构抗震性能的因素进行了讨论.结果表明:非延性框架多尺度模型在保证一定计算效率的同时可更为逼真地模拟复杂受力结构的边界状况及其在整体结构响应中的性能.这表明多尺度建模方法能够在计算精度和计算效率之间寻找到一个平衡点,为今后相关研究提供技术支持和参考.     

结构损伤一致多尺度模拟和分析方法

以一个重要的大跨桥梁为工程背景,基于非线性有限元分析软件ABAQUS,研究了大跨结构以损伤分析和状态评估为目标的结构多尺度模拟中的一系列关键理论和技术问题,包括多尺度建模方法和策略、基于子结构方法和基于多点约束衔接方法的多尺度建模过程,结构一致多尺度模型的修正和验证,以及应用多尺度模型进行结构损伤分析的方法与策略.研究结果表明,应用所提出的大跨结构一致多尺度建模方法和策略,能够有效地建立适用于实际大跨桥梁结构损伤分析的多尺度有限元模型,满足不同尺度下结构特性分析和局部损伤演化过程仿真计算的需要.而基于多尺度模型进行的局部疲劳损伤累积的仿真分析结果表明,发生于局部焊接细节的疲劳损伤与结构的局部应力响应之间有较大的耦合作用,在结构的多尺度损伤分析过程中应予考虑才能得到比较准确的寿命评估结果.     

结构行为一致多尺度有限元模型修正及验证

研究面向结构健康监测和损伤评估的含局部细节的结构多尺度有限元模型的修正和验证方法.以实验室的大跨桥梁结构钢箱梁纵向加劲桁架缩尺试样为研究平台,具体讨论了多尺度模型修正和验证的实施过程.首先分析了影响此结构多尺度模型精度的一些因素,如边界约束刚度、焊趾及其附近的几何及材料参数等,然后采用基于灵敏度的方法对多尺度模型进行修正,并通过不同于修正过程的加载工况和不同位置处的实测数据从动力特性和静力响应等多方面对所建的结构多尺度有限元模型进行了验证.结果表明:基于子结构方法建立的结构行为一致多尺度模型是有效的.     

基于多重节点的结构动力学显式异步长并行计算方法

局部精细化网格会导致结构有限元动力学分析的计算时间大幅增加.为了提高计算效率,结合域分解法与子循环方法,提出一种基于多重节点的结构动力学显式异步长并行计算方法.该方法采用节点分割将模型划分为若干子分区,子分区采用显式Newmark时间积分格式并根据分区单元特性选用时间步长;相邻分区通过多重节点构成耦合区域,小步长分区子循环过程中不涉及边界数据的插值过程."天河二号"超算平台上的算列表明:采用显式异步长并行方法计算结构动力学问题,在提高计算效率的同时可以保持较高的计算精度.     

基于多尺度模型的单层球面网壳结构静力稳定性分析

网壳等大跨度空间结构在实际工程中得到广泛运用,静力稳定性是结构安全分析的重要内容之一。为研究静力荷载作用下网壳结构的稳定性,以单层球面网壳结构为研究对象,基于多尺度有限元建模方法,通过分别采用薄弱区域节点细化模型、薄弱区域杆件细化模型和全梁单元模型对结构在静力荷载作用下的稳定性进行分析。结果表明,杆件细化与节点细化的多尺度模型可以跟踪杆件的局部凹陷和节点变形等,更接近实际,在结构静力稳定性的数值模拟方面具有更高的准确度。     

基于多尺度模型的单层网壳非线性屈曲分析

为同时模拟细观节点的局部变形和宏观结构的整体稳定性,本文通过对全梁一致单元模型的屈曲分析得出力学响应集中的重点区域,对该区域进行精细化建模,采用壳单元离散,宏观结构采用梁单元离散。建立了基于多点约束法的多尺度模型,并对多尺度模型及全梁单元模型进行了模态分析、考虑初始缺陷的双重非线性屈曲分析。对比结果可知;基于多点约束法的多尺度模型不会改变结构的频率、周期等固有特性,但因刚度分布的改变会导致振型变化;多尺度模型的稳定临界荷载相比一致单元模型有不同程度的降低。研究表明：多尺度模型能较为精准地模拟出细观节点的受力和变形,更贴近于实际工程的同时,在宏观层面的分析上也不失可信度。     

扁长杆的冲击弹塑性屈曲特性分析的仿真有限元模型

已有文献进行了微弓形扁长金属杆在轴向重物冲击下的动态屈曲实验研究,得到了扁长杆冲击屈曲响应的典型结果,但已有文献及后来相关论文的模拟计算精度较低。为了提高典型扁长杆的冲击屈曲特性的计算分析精度,该文研究了扁长杆的冲击屈曲特性分析的有限元建模方法,改进了有限元模型边界条件的建模仿真度(考虑了转动铰配合间隙、摩擦等),并探讨了有限单元型式及尺度的选择,以壳单元或实体单元模型代替梁单元模型。研究表明:采用改进边界条件(考虑转动铰配合间隙、摩擦等)和薄壳单元或厚壳单元或实体单元的仿真模型比采用理想边界条件和梁单元的原模型的计算结果精度显著提高;基于改进模型的计算分析结果,揭示了该扁长杆受冲击载荷作用时的3维动态反向屈曲行为。     

大型结构局部非线性问题的数值子结构方法的验证与改进

对超高层建筑、超大跨度桥梁和高速铁路等重大工程进行有限元动力分析时,由于结构的模型非常大,自由度数有数千万,计算成本往往非常高,计算效率比较低.虽然数值子结构方法能较好地解决这类问题,但是仍然存在不足:通过子结构静力分析得到的非线性修正力项不适用于动力子结构问题;且使用不迭代算法的数值子结构方法要求计算步长很小,导致计算时间较长.针对这些问题,本文将非线性修正力计算从子结构静力分析拓展到动力分析问题中,可更精确地考虑子结构的动力效应;另外提出隔离子结构的响应预测修正方法,可增加计算步长,极大地提高计算效率.通过数值算例将改进的数值子结构方法与完整结构的标准解进行对比,验证了此改进方法的精度和计算误差.     

含内部子结构的圆柱壳振动特性研究

针对圆柱壳-内部子结构的耦合结构,采用缩聚传递函数对其解耦,再根据直接刚度法分别建立圆柱壳和内部子结构的数值模型,并结合缩聚传递函数法计算了原耦合结构的振动响应.引入坐标转换矩阵并考虑6个方向的耦合,从而保证本混合方法的计算精度.与有限元计算结果进行对比分析,验证了该混合方法的有效性.在此基础上分析了结构厚度、壳体长度...     

基于伸臂桁架多尺度模型的超高层建筑地震灾变评估

针对伸臂桁架斜腹杆在地震灾变过程中发生塑性屈曲,而宏观梁单元很难模拟塑性屈曲引起的承载力和刚度退化这一问题,以典型伸臂桁架试验为基础,在兼顾计算效率和精度的前提下,提出了基于梁单元和壳单元的伸臂桁架多尺度有限元模型;建立了典型超高层建筑的多尺度有限元模型,研究伸臂桁架塑性屈曲对地震灾变全过程的影响.结果表明,伸臂桁架多尺度模型能较好地预测初始刚度、屈服承载力以及塑性屈曲引起的承载力和刚度退化,且具有较高的分析效率;在进行超高层建筑地震灾变模拟时,不考虑伸臂桁架的塑性屈曲,会高估伸臂桁架的耗能能力,低估核心筒和巨柱的损伤程度,最终影响结构的倒塌模式并高估抗倒塌能力.     

钢管混凝土系杆拱桥拱脚一致多尺度建模及分析

针对传统精细化模型在分析钢管混凝土系杆拱桥拱脚时,存在局部边界模拟困难、分析精度难以保证等问题,基于结构一致多尺度建模理论,提出将全桥模型通过合理的连接方式统一到拱脚精细化模型上的思路,建立了适用于钢管混凝土系杆拱桥拱脚受力性能分析的一致多尺度建模方法,并对一座计算跨径96 m、矢跨比为1/5的下承式钢管混凝土系杆拱桥的拱脚受力性能和安全性进行了研究.研究结果表明:一致多尺度建模在极大地减小了计算量的同时,还可以准确模拟钢管混凝土系杆拱桥等复杂结构的局部边界条件,并预测拱脚构造的力学行为;钢管混凝土系杆拱桥拱脚结构总体受力合理,但在预应力钢筋锚固区及支座附近区域存在较为明显的应力集中现象.     

螺旋桨桨叶固有动力特性方法研究

应用有限元与边界元结构合的湿模态法对浸入静水域中螺旋桨桨叶进行固有动力特性研究,编制了３种单元组合模型与流固耦合计算分析程序;实桨计算结果与桨叶固有频率激振试验结果比较表明,计算值与实测值基本吻合,所采用的块体元、过渡元和厚壳元３种单元组合形成的有限元离散模型和Moriono双曲面元法在计算精度和计算效率方面比块体和厚壳有限元模型有所改善。     

大跨度斜拉桥多尺度有限元模型及其修正

提出了建立大跨度桥梁多尺度基准有限元模型的基本框架和方法,首先将桥梁各节段精细建模,运用子结构技术建立桥梁多尺度初始有限元模型;然后由桥梁健康监测系统实测频率、位移和应变数据构建桥梁多尺度指标,提出了多尺度有限元模型修正方法,并运用该方法得到了桥梁多尺度基准有限元模型;最后将模型计算数据与实测数据进行了对比分析,验证了该多尺度基准有限元模型的合理性.