基于有限元-向量式有限元的斜拉桥非线性振动计算方法

向量式有限元(VFFE)法本质上是考虑几何非线性的有限元(FE)显式动力时程积分方法。阐述了向量式有限元的基本原理,对比了向量式有限元与基于单元随动坐标系的非线性有限元动力计算方法的相同点与差别,开发了使用杆、梁单元的有限元-向量式有限元统一算法框架的计算程序。使用该程序建立了大跨度斜拉桥计算模型,首先,使用非线性有限元法计算了斜拉桥的静力状态与动力特性,计算了列车-桥梁耦合动力作用下桥梁的振动;然后,使用向量式有限元法计算了斜拉桥在拉索突然断裂状态下的非线性振动;最后,计算了在列车-桥梁耦合动力作用下,拉索发生断裂时,桥梁与列车的振动状态。结果表明:使用向量式有限元可以简单可靠地直接模拟斜拉桥在破坏状态下的非线性振动状态;列车运行至跨中附近时,若斜拉桥跨中最长拉索突然发生断裂,对其他拉索的安全性影响不大,离断裂拉索越远的拉索受到的影响越小,但拉索突然断裂会对桥上行驶中列车的安全性造成威胁。该研究为大跨度斜拉桥在破坏状态下的非线性振动分析提供了新的解决方案。

向量式有限元的力-位移复合控制方法

向量式有限元是在向量力学基础上提出的一种新型数值方法,在分析结构大变形和复杂边界条件时具有很大优势。基于向量式有限元基本思想,借鉴结构试验中的力控制和位移控制方法,提出力-位移复合控制的模拟方法,对同一结构、同一分析过程可以分别考虑时间上的力-位移交替控制和空间上的力-位移混合控制,在此基础上可求解结构的大变形。数值算例验证了该方法的可行性和有效性,拓展了向量式有限元的应用范围。

基于向量式有限元的深水顶张力立管动力响应分析

向量式有限元法亦称有限质点法是以向量式力学与数值计算为基础的一种结构行为分析的创新性方法。该方法将结构离散为一系列质点的集合,质点间采用单元连接,单元没有质量,只承受内力,质点的运动则直接采用牛顿第二定律来表达,采用中央差分的显式积分法求解质点群各时刻运动方程。首次将该方法应用于顶张力立管的动力行为分析中,采用平面弯曲杆件元模拟质点间的相互作用力,推导了立管质点运动公式,编制相应Matlab求解程序,计算了立管在海流、波浪作用下的动力响应特性并与基于传统有限元法的结果进行了对比分析,表明该方法在立管行为分析中的正确和有效性,并指出了该方法在处理其它立管形式行为分析中的优势。

平面薄膜结构屈曲行为的向量式有限元分析

针对平面薄膜结构在外荷载作用下容易出现局部褶皱和褶皱扩展的现象,分析平面薄膜结构的屈曲行为.基于向量式有限元薄膜单元基本理论,引入面内应力刚化和面外初始缺陷,实现初始预应力平衡状态和触发面外褶皱屈曲变形.推导向量式有限元的力控制和位移控制处理方法,进而跟踪平面薄膜结构的局部褶皱(屈曲)和褶皱扩展(后屈曲)变形全过程.在此基础上,编制平面薄膜结构的屈曲计算分析程序,并通过矩形薄膜剪切屈曲和圆环薄膜扭转屈曲的算例分析,验证理论推导和所编制程序的有效性和正确性.位移控制法可以越过薄膜结构屈曲的极值点(或分支点),有效跟踪屈曲和后屈曲变形的全过程,并获得屈曲临界极限荷载和屈曲下降段.

基于向量式有限元的超高韧性水泥基复合材料叠合剪力墙非线性分析

超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)具有抗拉性能好、裂缝宽度可控、耐久性强以及受拉应变硬化特征等优点,克服了传统水泥基复合材料的易开裂破坏的缺点,适合于受拉混凝土构件或裂缝要求高的混凝土构件。剪力墙是一种抗震性能良好的结构构件,但其边缘为拉压破坏的易损区域,采用超高韧性混凝土材料替换传统混凝土可望获得更优异的抗震性能。基于求解结构非线性行为的向量式有限元(VFIFE)方法,采用自开发程序模拟分析超高韧性水泥基复合材料剪力墙拟静力推覆全过程。模拟结果表明,超高韧性水泥基复合材料具有优异的抗拉性能及韧性性能,可以有效改善剪力墙开裂后的工作性能,从而提高构件的抗震性能,因此具有重要的工程应用价值。

向量式有限元桁架结构并行程序节点分配技术

结合向量式有限元(VFIFE)的计算规则以及桁架结构的特点,提出了一种并行程序节点分配机制.通过对桁架结构模型数据的分析,定义模型数据的分解规则,动态实现对模型数据的分解.依据分解的结果来动态划分并行计算的数据集,并且基于特定的并行计算框架完成并行计算.实例验证表明,该节点分配机制是有效的,并且极大地提高了计算效率.

基于向量式有限元的黏滞阻尼减震结构抗竖向连续倒塌动力反应分析

向量式有限元是以向量力学为基础的一种新的结构分析方法,在处理结构大变形等复杂行为时具有较大的优势。基于向量式有限元理论建立了黏滞阻尼单元,对附加黏滞阻尼器的平面钢框架结构进行了抗竖向连续倒塌动力分析,结合拆除构件法,采用MATLAB编制可以考虑初始变形的瞬时卸载法程序,实现结构在构件拆除前的静力分析和构件拆除后动力分析的全过程统一。研究了阻尼器布置位置和参数在结构抗竖向连续倒塌中的性能需求,以失效点竖向位移时程曲线、梁端转角、动力放大系数和结构塑性铰分布为参考指标,对比分析布置阻尼器前后钢框架结构的抗连续倒塌能力。结果表明向量式有限元是一种研究结构竖向连续倒塌动力响应的有效方法,合理布置阻尼器能够有效控制剩余结构的变形和振动,降低构件内力,减少塑性铰个数,较大地提高结构的抗竖向连续倒塌能力。

基于向量式有限元的系杆拱桥吊杆更换

为研究下承式系杆拱桥在吊杆更换过程中对桥梁的不利影响,利用新型数值模拟方法—向量式有限元,自编程序模拟下承式系杆拱桥的单片拱肋采用临时吊杆法更换吊杆过程中,全面掌握主梁位置变化以及吊杆内力特点。结果表明:采用临时吊杆法更换吊杆时,相邻吊杆会不断地卸载、加载,但是索力始终不会超过成桥索力;离得最近的吊杆索力卸载最大,可达到成桥索力的7.2%。与吊杆相连的主梁位置竖向位移波动0.5mm左右。

基于非线性力法及向量式有限元法的结构屈曲路径跟踪（英文）

在对空间桁架结构进行屈曲路径分析的过程中,结构在其极值点处刚度奇异,伴随其机构位移模态数增加.因此,在跟踪结构的屈曲平衡路径时,既要考虑结构在运动过程中构件的变形,又要考虑系统的机构位移.本文对结构屈曲平衡路径的特性进行了阐述,指出了屈曲平衡路径是结构的固有特性,只与外部荷载的作用形式相关.基于此,本文提出了一种求解结构屈曲路径的新方法,将对结构的屈曲路径分析过程分为两步:首先,利用非线性力法预测结构的下一步运动位移方向(运动位移方向是指屈曲平衡路径上某一点处的切线);随后,利用向量式有限元法对结构进行找平修正.通过对两个星形穹顶和一个动不定结构进行屈曲分析,验证了本文方法的准确性和有效性.

段塞流作用下海底悬跨管道涡激振动特性分析

对海底悬跨管道在段塞流和涡激振动(VIV)耦合作用下的动力响应进行了数值模拟。基于向量式有限元(VFIFE)法考虑内部段塞流动,结合尾流振子模型建立了海底悬跨管道涡激振动分析模型,研究了不同Taylor气泡或液塞平移速度(v_(T)=3~5 m/s)、不同液塞长度(L_(S)=15 D~45D)下悬跨管道的横向振动特性。结果表明:海底悬跨管道涡激振动的锁振区间受段塞流作用的影响有向后延展的趋势;Taylor气泡平移速度的增加、液塞长度的减小会显著增加锁振区间;液塞长度的增长将会增大管道振动响应幅值。

基于流固耦合的重载飞艇副气囊形态分析与试验研究

为了研究非饱和副气囊在重载飞艇升降和巡航过程的形态变化,建立了缩尺比例氦气囊模型。基于向量式有限元(vector form of intrinsic finite element,VFIFE)对副气囊膜结构进行结构动力学分析,并考虑几何大变形和边界非线性;基于有限元法对氦气域和空气域进行流体动力学分析,分别采用自编MATLAB程序和ANSYS软件流体模块独立求解控制方程之后,通过映射网格在CSD(computational structural dynamics)/CFD(computational fluid dynamics)之间进行数据传递并迭代,以实现双向流固耦合。开展了氦气囊的缩尺比例模型试验,对囊体在泄气过程中得到的位移测量值与数值模拟结果进行对比。结果表明,氦气囊在不同充盈度下的形态变化与双向流固耦合数值分析结果一致,证明了该研究提出的数值模拟方法可有效用于副气囊随氦气充盈度变化导致的非稳定形态变化规律的研究。

索穹顶结构预应力多目标优化的小生境遗传算法

根据索穹顶结构的柔性结构特点和力学特性,探索以质量最小、刚度最大和支座反力最小为目标函数,以预应力整体可行性准则、荷载态应力控制和位移限值为约束条件的多目标优化模型。结合自适应技术、预选择机制和共享函数小生境技术对传统遗传算法进行改进,利用加权系数法将多目标优化问题转换为单目标Pareto最优解问题。利用向量式有限元对不同预应力水平的结构进行静力分析。最后通过两个不同类型索穹顶算例,采用自编程序的计算结果证明所提出的方法是有效的,为索穹顶结构预应力优化分析提供了新的计算方法。

自由曲面薄壳结构数值逆吊找形方法研究

数值逆吊找形法是一种生成零弯矩型自由曲面薄壳结构的高效方法。为了解决基于非线性有限元数值逆吊找形法在求解弱刚度结构时收敛性不佳的问题,通过引入向量式有限元法,提出了一种改进的数值逆吊找形方法。该方法采用向量式有限元法求解逆吊结构的平衡构形,并通过局部线性化方法调整柔性索单元的弹性模量,实现对逆吊结构形状的控制。在此基础上,进一步提出了可实现多点精确控制的分步刚化法,解决了复杂形状逆吊结构的找形问题。应用所提方法对Isler设计的某逆吊石膏模型进行数值找形,并将数值找形结果与实际模型扫描结果进行对比,验证了所提方法的正确性和有效性。

索穹顶张拉过程中环索滑移分析的驱动索单元法

索穹顶结构在张拉过程中一般采用分批分级张拉斜索的方式.由于索穹顶结构的环索通常采用连续布置方式,当相邻分批张拉索的内力差作用在环索节点上的分量超过环索与索夹间的最大静止摩擦力后,会引起环索与环索夹之间的滑移.由于环索往往是索穹顶结构中预应力最大的构件,其滑移会对整体结构的内力分布和位形产生严重影响.在准确计算分析的基础上优化张拉方案,控制环索滑移对整体结构的影响是索穹顶结构能否张拉成形且满足设计要求的关键问题.本文提出基于向量式有限元的驱动索单元法进行索穹顶张拉全过程模拟,分析环索滑移对结构内力和位形变化的影响.