剪切效应梁单元刚度和质量矩阵的推导及应用

从工程梁理论中的梁位移微分方程出发直接推导出考虑剪切效应的空间梁单元的刚度矩阵,并从动力荷载的虚功原理出发推导出考虑剪切效应的其质量矩阵。编制了简单的有限元程序去验证,通过计算实例分别比较考虑剪切效应和不考虑剪切效应对结构固有频率的影响,结果表明在剪切系数较大时,不考虑剪切效应会引起较大的误差。

建立考虑节点域剪切变形的平面钢框架单元刚度矩阵

目的更精确计算平面钢框架结构在水平荷载作用下的侧移.方法以梁柱为计算单元,基于稳定函数法,在梁柱单元的角位移中计入节点域剪切变形,推导了平面钢框架杆件的单元刚度矩阵.结果采用传统的线弹性框架分析方法得到的水平侧移是不准确的,较实验结果误差为12.12%.笔者考虑了由于节点域剪切变形和二阶效应而导致的结构侧移刚度的降低,推导了单元刚度矩阵,并用MATLAB编制了平面钢框架的计算程序,计算所得的水平侧移,较实验结果误差仅为0.606%.结论采用考虑节点域剪切变形和二阶效应的平面钢框架单元刚度矩阵,所得计算结果与实验结果吻合良好,具有很高的准确度.

基于形函数推导考虑剪切变形的欧拉梁单元刚度矩阵

针对考虑剪切变形的等截面欧拉梁单元的刚度矩阵推导问题,笔者以形函数为基础,根据虚功原理,在不计入剪切变形欧拉梁单元的刚度矩阵的基础上,系统给出了计入剪切变形的欧拉梁单元刚度矩阵推导过程,并与ANSYS中Beam4单元刚度矩阵进行了对比研究。研究结果表明:ANSYS中的Beam4单元为可计入剪切变形的欧拉梁单元,并且通过与Beam188单元的应用对比,明确其适用性与Beam188单元一致,即长细比应满足ANSYS的建议值GAL2/EI>30。

面内变形曲梁的显式单元刚度矩阵

目的针对平面内变形的微圆段进行研究,给出等曲率梁的显式单元刚度矩阵,以便对含等曲率梁的结构进行分析.方法求解等曲率梁的微圆段平衡微分方程,获得等曲率梁的杆端力计算表达式.利用截面内力与应力关系、本构方程以及应变与位移关系,推导等曲率梁的任意截面内力与位移的关系,进而推导任意截面的位移与杆端位移之间的关系.根据等曲率梁的杆端力表达式及杆端位移表达式得到等曲率梁的杆端力与杆端位移的关系式.结果通过对平面内变形等曲率梁研究,给出了等曲率梁的任意截面处内力的计算公式以及杆端力表达式;得到了等曲率梁的任意截面处的内力与位移之间的关系式;给出了等曲率梁的任意截面处位移的计算表达式和杆端位移表达式;得到了等曲率梁的杆端力与杆端位移关系式.结论针对平面内变形的等曲率梁,笔者给出了一种解析的显式等曲率梁的单元刚度矩阵,该单元刚度矩阵可用于含等曲率梁的杆系结构的有限元分析.

计及二阶效应的一种变截面梁精确单元刚度阵

推导一种精确的Bernoulli-Euler变截面梁单元,解决了传统变截面梁单元在结构稳定性分析中存在的计算精度较低的问题,以常见的外形沿轴向按线性变化的变截面梁为例,给出梁单元的精确刚度阵。放弃传统有限元通过插值理论构建变形场,并通过虚位移原理获取单元刚度阵的方法,直接从计入二阶效应的单元平衡微分方程中得到变截面梁的载荷位移关系,进而得到有限元格式的变截面梁精确刚度阵。借助于变截面梁单元刚度阵,可导致与精确的微分方程解析法同样的计算精度。通过与几个经典算例和ANSYS计算结果比较表明:该精确刚度阵可直接应用于结构稳定性分析,获得变截面梁结构精确的欧拉临界力。

考虑约束扭转的薄壁梁单元刚度矩阵

推导了薄壁空间梁单元刚度矩阵 ,考虑了双向弯曲及截面约束扭转对杆件轴向变形的影响 ;计算了截面的翘曲变形 ,以及二次剪应力对翘曲变形的影响 ,可适用于任意截面 (包括开口、闭口和混合剖面 )的薄壁杆件。计算结果表明 ,考虑约束扭转的薄壁梁单元刚度矩阵有相当好的精确度 ,可以用于薄壁杆件的静动力分析。

变曲率曲线梁的单元刚度矩阵分析

针对单元刚度矩阵多为隐函数,不便于直接应用的问题,在极坐标系下,假定变曲率曲线梁剪心和形心重合,根据卡氏第二定理,推导了一种显式变曲率曲线梁单元悬臂端柔度矩阵的解析解公式.该公式先将其柔度矩阵退化到经典的形式;再通过求逆运算得到变曲率曲线梁单元悬臂端刚度矩阵;最后根据静力平衡条件与结点位移的任意性获得曲线梁的单元刚度矩阵.以两端固定曲线梁为例,利用MATLAB编程与ANSYS有限元计算结果进行了对比,结果表明:竖向位移和扭转角相差都在5%以内,两者的误差较小,验证了单元刚度矩阵对变曲率曲线梁计算的有效性;矩阵中的元素可用带参数的显函数表达,且所有参数都可直接引用,说明了它的正确性.

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。

考虑剪切变形的变截面欧拉梁单元刚度矩阵

ANSYS中的Beam44单元是考虑剪切变形的变截面欧拉梁单元,为明确其单元刚度矩阵推导方法,以形函数为基础,根据虚功原理,系统给出了考虑剪切变形的变截面欧拉梁单元刚度矩阵推导过程。以矩形、圆形、圆环和箱形截面梁为例,经与ANSYS中Beam44单元刚度矩阵对比,明确了其单元刚度矩阵的推导方法、相关假定和使用要求。研究发现:变截面欧拉梁因形函数本身的近似性和截面参数随截面位置变化的复杂性,难以给出普适性的单元刚度矩阵理论表达式。ANSYS对Beam44单刚矩阵推导时,采用了以下3种处理方式以简化计算:采用与等截面梁相同的厄米特形函数,在纯弯模式单刚矩阵的积分计算中对几何矩阵和截面参数分别积分,不考虑截面剪切系数k随截面位置的变化,由此所得单刚矩阵形式与等截面梁Beam4一致。ANSYS对Beam44单元所给等效截面参数,如面积、抗扭惯矩和抗弯惯矩的表达式,源于梁单元两端截面形状为相似形且截面尺寸随杆件线性梯度变化的情况,应用于其他情况时会与理论值有一定偏差。由此可知,在使用Beam44单元时为提高计算精度,应尽量减小单元长度来控制两端截面参数比值,同时对剪切系数k宜取单元中截面的k值或左右截面的均值。

考虑弯扭耦合的空间薄壁截面梁单元刚度矩阵

以Bernoulli-Euler梁理论和Vlasov薄壁杆件理论为基础,通过设置单元内部结点,对弯曲转角和翘曲角采取独立插值的方法,建立了可考虑横向剪切变形、弯曲和扭转的耦合及翘曲剪应力等因素影响的空间薄壁截面梁有限元模型.算例表明本文所建立的模型具有很好的精度,满足工程应用.

能量变分原理推导考虑剪切变形的梁单元刚度矩阵

利用能量变分原理 ,导出了考虑剪切变形情形的梁段单元刚度矩阵和荷载列阵 。

钢柱的空间弹塑性单元刚度方程

在钢柱空间滞回模型研究的基础上，建立了空间受力钢柱的弹塑性单元刚度方程．该方程考虑了Ｒａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ效应、应变强化效应和强度退化效应的影响，能够准确描述钢柱在空间交变地震作用下的非线性连续空间恢复力状态．通过箱形和Ｈ形钢柱在竖向恒载和双向水平反复荷载下的空间滞回特性试验，验证了文中理论的可行性与可靠性．文中的研究成果解决了高层建筑钢结构空间弹塑性地震反应分析的关键问题．

薄壁梁的单元刚度矩阵及其应用

按文[1]所述截面正投影绕定轴转动的概念,直接导出薄壁梁的单元刚度矩阵,并利用直接刚度法求解弯心不共线的连续梁。算例表明,它和用柔度矩阵按力法求解的结果是相同的,但计算过程更简单。

欧拉-伯努利梁单元刚度矩阵推导

为明确欧拉-伯努利梁单元刚度矩阵推导过程,用统一的坐标系统和参数正方向规定,包括荷载、位移、内力和应力等,对等截面梁详细介绍了不同受力模式包括伸缩、扭转和弯曲问题的拉格朗日形函数和厄米特形函数,系统给出了刚度矩阵推导所需的基本方程包括几何方程、本构方程和平衡方程,并最终根据虚功原理得到单元刚度矩阵。这不仅有助于对单元刚度矩阵以及推导过程的理解,还可为参阅有限元专业书籍提供帮助。

求解钢筋混凝土平面梁单元刚度的改进算法

提出一种在考虑材料非线性的有限元分析中根据荷载的大小求解相应单元刚度的改进算法.通过讨论Cranston方法求解钢筋混凝土平面梁单元刚度的原理和步骤,指出其在某些情况下可能出现迭代计算不收敛的局限性,提出采用加速搜索区间法和二分法相结合进行钢筋混凝土平面梁单元的求解.基于该方法编写考虑材料非线性的平面杆系有限元程序,并用算例进行验证.结果表明该方法具有良好的收敛效果,可以在Cranston方法失效时采用.

MATHEMATICA在推导梁柱单元刚度矩阵中的应用

利用MATHEMATICA强大的运算能力,将考虑多种因素相互作用下的空间梁复杂的刚度矩阵的推导,化做简单的公式运算,避免了繁琐的编程调试和元素寻址,得到了能够考虑拉压、弯曲、剪切、扭转、翘曲耦合影响下的空间梁单元刚度矩阵。在推导过程中,根据影响因素的不同,运用分块技术,将刚度矩阵分解为若干块的正应力刚度矩阵、剪应力刚度矩阵,以及相互影响的相关矩阵,实现了对刚度矩阵的贡献分析。算例进一步验证了所得结果的正确性和优越性。

钢筋砼摩擦耗能支撑框架结构的单元刚度和力学模型分析

为研究钢筋砼摩擦耗能支撑框架结构的动力反应性能 ,对其中的摩擦耗能器单元和框架杆单元的单元刚度和力学模型做了分析。钢筋砼摩擦耗能支撑单元由支撑杆单元和钢板—橡胶摩擦耗能器单元组成 ,支撑单元可取空间杆单元 ,摩擦耗能器单元为平面应力矩形单元。摩擦耗能器单元的剪切恢复力曲线为理想的弹塑性曲线 ,根据耗能器单元的力学模型 ,可确定其在每一时刻的刚度 ;框架结构空间杆单元的恢复力模型采用双线型模型 ,根据杆单元的力学模型 ,可确定其在每一时刻的刚度。并利用所编制的程序对十层单榀两跨空间普通框架和摩擦耗能支撑框架在地震作用下进行了弹塑性反应时程分析 。

部分共同作用组合梁单元刚度矩阵改进

以钢-混凝土组合梁平衡微分方程的齐次解作为组合梁单元的位移函数,取消了要求单元两端滑移量为零的假定,给出了钢、混凝土和弹性夹层合而为一的组合梁单元刚度矩阵和等效节点荷载,为更好地分析由组合梁组成的复杂结构提供了有力的分析工具.

建立斜拉索单元刚度矩阵的等效线性化方法

用线性化方法建立斜拉索单元刚度矩阵,其单元刚度矩阵范数和张力增量与拟弹性模量方法的结果具有很好的一致性.对一斜拉索平面桁架算例进行分析,结果表明线性化方法所建立的斜拉索单元刚度矩阵与拟弹性模量方法具有同样精度,说明本文方法是有效的,可用于大型结构的有限元分析中.

薄壁楔形构件单元刚度矩阵

利用近似截面惯性矩代替楔形杆的实际惯性矩，从而可直接得到楔形构件的单元刚度矩阵，便于计算带楔形构件的刚架的内力．