一种新型板弯单元及其在几何非线性下的应用

扩展了对应于Reddy高阶剪切变形理论的一种新型四边形有限元的应用范围,将其用于复合材料层合板的应力计算和结构在拉伸-弯曲耦合载荷作用下的几何非线性分析。数值结果表明,这种新型单元能较为精确地计算应力和位移,并适于推广到几何非线性分析。     

基于CR全量非线性梁柱理论的平面剪切梁元

基于CR全量非线性计算模式,结合考虑梁元剪切效应的Timoshenko梁理论,采用梁柱理论(稳定函数格式)建立精细高效的综合考虑单元轴力、弯矩、剪力及其耦合效应的平面梁元分析理论.采用梁柱理论,结合CR坐标法,完善高精度目标下的平面梁元几何非线性问题快速求解方法;以二阶梁柱理论为基础,推导考虑剪切效应的转角位移方程具体格式,获得刚度系数的精确稳定函数表达式,在保证数值精度及计算过程稳定性的前提下,将上述稳定函数幂级数化且提出对应的截断准则,随后推导了剪切变形影响下考虑梁元弓弦效应的单元节点计算表达式;编写程序对本文提出的方法与经典算例进行对比检验,并结合实际工程进行分析.研究结果表明:对一般的多跨连续梁结构,利用本文计算理论能获得与经典算例一致精度的计算结果;对发生大位移的类如肘型刚架结构,利用本文理论可获得其考虑剪切效应的荷载-位移全过程变形曲线,其跃越屈曲第一及第二临界点亦与经典文献符合;对不同主梁形式的特大跨度斜拉桥结构,利用本文理论亦可得到合理的整体变形特征,同时明显提高分析效率.     

大跨度钢斜拉桥施工过程线形控制

运用几何非线性分析理论,综合考虑斜拉索垂度效应、梁柱效应和大位移效应,对大跨钢斜拉桥施工过程线形控制进行数值模拟研究.采用多段短索桁架单元模拟长索的非线性效应,通过改变单元的无应力长度实现索的多次张拉.根据新增构件的不同激活方式,提出将施工过程模型分为切线安装、平行安装和建模位置安装3类,其中切线安装和平行安装用于施工过程分析,建模位置安装用于施工控制中的反拱分析.考虑几何非线性多次迭代计算安装线形,采用稀疏矩阵算法求解有限元方程.基于以上原理编制了大跨钢斜拉桥非线性分析及施工过程线形控制模拟软件BINAS,通过苏通大桥实例验证了该方法具有较好的计算精度和适用性.     

考虑剪切变形的空间薄壁梁柱单元

基于更新拉格朗日构形的增量虚位移原理,在势能项中引入全部6个应力分量,采用考虑单元剪切变形影响的三次多项式插值函数,详细推导了考虑剪切变形及翘曲的空间薄壁梁柱单元的几何非线性切线刚度矩阵.考虑了结构变形过程中由于力矩空间转动引起的连带弯矩影响,得到了整体的几何刚度矩阵.通过算例证明了该单元的精确性和有效性.     

空间网壳结构的稳定性分析

利用几何非线性有限元方法研究了空间网壳结构的稳定性.基于Green-Lagrange应变和第二类Piola-Kirchhoff应力,推导了适合于空间网壳结构分析的三维杆件系统几何非线性刚度矩阵,在求解非线性方程时分别采用了增量法、NR迭代法、增量迭代组合法及弧长法,比较了各种方法在求解该类问题时的效率,得到了空间网壳结构的全过程p-△曲线.     

非线性几何精确梁理论研究综述

几何精确梁理论是处理几何非线性梁的一种重要方法,该法能够高效并准确地处理梁的大变形与大转动问题。阐述了该法的2种有限转动参数化形式,其中一种是最新形式;阐述了两大类有限转动插值方法的选取方式,并指出这两类方法的优缺点;阐述了求解动力学方程的2种积分方法的选择,并比较2种方法优势与缺陷。说明该法在处理几何非线性梁问题时具有较少的单元节点自由度与较高的计算效率等优点,但同时存在着转动参数的奇异性、单元应变客观性等问题。因此该法尚不完善,仍值得学者们做进一步研究。     

双非线性四边形平面应力单元分析石拱桥的极限承载力

采用共旋坐标法导出了四边形平面应力单元在大转动、小应变条件下的几何非线性和材料非线性的单元切线刚度矩阵;在此基础上编制相应的有限元FORTRAN程序;对交通部公路桥涵标准图中的23个单跨石拱桥的计算与分析表明:共旋坐标法四边形平面应力单元的列式、程序和求解器具有较强的非线性分析能力,能较好地分析石拱桥受力全过程的非线性性能.该计算结果提供了对中小跨度石拱桥非线性性能的更多的了解,可供工程设计人员参考.图8,表1,参10.     

柔性结构非线性分析的杆单元有限元法

本文根据非线性弹性理论，采用拉格朗日坐标描述法，在三维整体坐标系下，直接根据应变的定义建立了精确应变的非线性几何关系．从而可以考虑任意次高阶位移的影响，得到了轴向应力应变的直接关系，根据虚功原理推导了杆单元非线性有限元增量方程及切线刚度矩阵，利用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法进行了实例计算．结果表明本法精度很高，适合于柔性结构分析、设计时采用．     

基于共旋坐标法的张拉整体结构弹塑性静力分析

为研究张拉整体结构的弹塑性静力特性,引入一种适用于求解大转动小应变的高效有限元算法——共旋坐标(CR)法.将空间杆单元的大位移分解为整体坐标系下的刚体位移和局部坐标系下的小变形,推导出了单元切线刚度矩阵的新表达式.采用一种结合荷载增量策略和Newton-Raphson法的非线性有限元算法对一个四杆张拉整体结构单元体的几何非线性弹塑性特性进行了研究.结果表明:相比于传统的TL法和UL法,采用CR法对张拉整体结构进行非线性静力特性分析具有更高的计算效率;四杆单胞结构下层构件的刚度大于上层构件的刚度;自应力系数的增大会导致四杆单胞结构变"硬",且结构受压时的表现比受拉时更为明显;相比于结构的弹塑性响应,自应力系数在结构的弹性响应中扮演着更重要的角色.     

平面框架结构的几何非线性问题打靶法求解

基于弹性曲梁平面大变形问题的精确几何非线性理论,建立简单平面框架结构在静载荷作用下弯曲问题的无量纲控制方程和边界条件,其中基本未知量均被表示为变形前的轴线坐标的函数.采用打靶法求解非线性常微分方程的两点边值问题,得到不同框架结构的大变形平衡构形.所提出的理论和方法可以用于分析平面简单框架结构在各种载荷作用下的大变形问题.     

带铰平面梁元几何非线性有限元分析

针对梁端带铰的平面梁元几何非线性分析研究较少的情况,通过局部坐标系（随转坐标系）下的即时单元刚度矩阵,再基于结构坐标系与局部坐标系下杆端力及节点位移的总量关系及微分获得的增量关系,获得平面梁单元在大位移、小应变条件下的几何非线性单元切线刚度矩阵。研究结果表明：将局部坐标系下的刚度矩阵建立在即时构形的参数上,更能反映状态变量的变化,在此基础上根据带铰梁端弯矩为0的受力特征,导出了能考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式;通过对带铰的算例进行几何非线性分析,验证了所提出的表达式具有较强的实用价值。     

大跨度悬索桥加劲梁架设过程的倒拆分析方法

悬索桥施工前,需要计算出各施工阶段的结构几何形状及内力,以此检查施工方案的合理性及安全性,从理想成桥状态开始,用几何非线性有限元方法一步一步模拟倒拆过程,从而得到各施工阶段结构的几何形状及内力,计算模型中,用悬链单元模拟主缆,CR（随转坐标系）列式梁单元模拟塔和加颈梁,考察了鞍座与塔顶相对位置的调整过程,用编制的程序对虎门大桥进行计算,表明该倒拆分析方法概念明确,计算模型更加接近实际,具有可操作性,可代贪设计和施工部门参考、使用。     

一种考虑温度影响的高效几何非线性梁柱单元

在梁-柱单元位移函数中引入了轴力的影响,将传统3次位移函数改进为4次位移函数,并推导得到了考虑温度影响的几何非线性梁-柱单元.该单元的几何非线性刚度矩阵中完整考虑了单元位形变化对平衡方程的影响、温度变化对材性和单元应变的影响以及单元位形变化对几何方程的影响,进而可以考虑二阶效应、弓形效应.采用该单元编制了有限元程序,算例分析表明,该梁-柱单元精度得到了显著改善,可以极大减少非线性有限元模型的单元数量,在分析火灾下梁的悬链线效应、火灾下杆系结构连续性倒塌等问题上具有显著优势.     

Large Displacement Analysis of Tapered Beam Structures

A Bernoulli-Euler beam mechanism for static analysis of large displacement,large rotation but small strain planar tapered beam structures is proposed using the Updated Lagrangian formulation and the moving coordinate method.The object beam is the tapered one whose profile is assumed to be varying linearly.From the governing differential equation of lateral deflection including second-order effects by beam-column theory,the geometric nonlinear tangent elemental stiffness matrix is derived.The nonlinear effect of the bending distortions on the axial action is considered to manifest itself as an axial change in length.The aforementioned stiffness matrix is amended,by developing the auxiliary stiffness of bowing effect.The moving coordinate method is employed for obtaining the large displacement total equilibrium equations,and the hinged-hinged moving coordinate system is constructed at the last updated configuration.The multiple load steps Newton-Raphson iteration is adopted for the solution of the nonlinear equations.The validity and efficiency of the proposed method are shown by solving various typical numerical examples.     

钢管混凝土单圆管肋拱非线性有限元分析

提出考虑材料与几何双重非线性的钢管混凝土肋拱面内受力的计算方法并编制了有限元程序。有限元建模时采用空间梁单元。材料非线性应用合成法钢管混凝土本构关系。双重非线性采用采用混合法。应用该方法对钢管混凝土模型肋拱的受力全过程进行了分析。计算结果与试验结果比较表明，该程序能够反映钢管混凝土肋拱受力全过程的基本特性，但在受力的后期有一定的误差，表明钢管混凝土肋拱中的材料本构关系有其自身的特点，有待进一步的研究。     

工程结构几何非线性有限元研究述评

在结构线弹性计算中,一般都假定在加载过程中用结构变形前的形状来代替变形后的形状.然而在实际工程结构中,往往存在着大位移、大转角或大应变等问题.这时平衡条件就应如实的建立在变形后的位形上,以考虑变形对平衡的影响;同时应变表达式也应包括位移的二次项,这就需要采用几何非线性来研究.以此为出发点与当前流行的有限元方法相结合,分析了几何非线性有限元法分析的一般过程.综合比较了几何非线性有限元法在杆、梁、板、壳等方面的国内外研究成果,指出目前仍存在的问题,提出今后的发展方向,为几何非线性有限元的理论研究与程序设计提供参考.     

Stability Analysis of Spatial Cubic Spline Geometric Nonlinear Beam Element Considering the Second-Order Effect

To analyze the stability problem of spatial beam structure more accurately,a spatial cubic spline geometric nonlinear beam element was proposed considering the second-order effect.The deformation field was built with cubic spline function,and its curvature degree of freedom (DOF) was eliminated by static condensation method.Then we got the geometric nonlinear stiffness matrix of the new spatial two-node Euler-Bernoulli beam element.Several examples proved calculation accuracy of the critical load by meshing a bar to one element using the method of this paper was equivalent to mesh a bar to 3 or 4 traditional nonlinear beam elements.     

悬索桥主缆成桥线形的解析计算

根据悬索桥在恒载作用下的力学特点,对悬索桥的主缆线形及无应力索长的计算方法进行了研究.采用悬链线单元建立悬索桥线彤和无应力索长的计算公式,结合施工中加劲粱的架设特点,确定了成桥线形分析中的吊索力,还对计算悬索桥主缆线形的非线性方程组采用Newton-Raphson迭代格式求解并编制程序.最后通过算例验证了该方法的计算精...     

井壁失稳风险评价方法

针对井壁几何参数、力学性能参数和地层压力存在的随机性特点,对传统井壁稳定性系数评价方法的不足进行分析。根据可靠性理论,从力学角度建立井壁失稳风险评价方法。利用Monte-Carlo随机抽样法,计算井壁失稳的风险概率数值解,分析井壁围岩失稳风险概率分布规律,并与传统井壁稳定性系数进行对比,建立全井段井壁失稳风险评价方法。结果表明:井壁失稳风险评价方法和程序能够满足井壁失稳评价的需要;基于可靠性理论建立的井壁失稳风险评价方法,可对井壁的稳定性进行定量评价;井壁失稳风险概率评价指标,可为传统井壁稳定性系数的选取和不确定性条件下的井壁稳定性评价提供依据。     

钢结构非线性温度响应分析

基于非线性有限元法和全量理论,推导了常温和高温下钢框架结构温度响应的基本方程.推导中考虑了不同连接刚度、几何非线性和材料非线性及温度沿杆件截面高度线性分布等因素对结构温度响应的影响.用自行编制的计算程序进行了单层和双层钢框架结构非线性温度响应分析,计算结果与相关试验结果基本吻合,验证了文中理论与程序的正确性.通过所得计算结果与其他计算结果及试验结果的对比分析,发现连接刚度对梁的跨中挠度和柱顶水平位移的影响较大,对柱子的轴向位移影响不大.