有限元分析中总体刚度矩阵集成的教学方法创新研究

固体结构研究中,有限元方法的基本思路是化整为零,集零为整,用较简单的问题代替复杂问题后建立总体平衡方程,并引入支撑条件求出各节点位移和各单元的应力和应变,其中较难的步骤是总体刚度矩阵的集成。程序化探究教法对此能有效提升学生进行结构设计有限元分析的能力,有效提高教学质量。

面向联结翼总体设计的气动弹性优化

由于前翼和后翼的连接关系,联结翼飞行器气动和结构特性与常规布局飞行器有所不同,相互连接的机翼形成一个复杂的过约束系统,布局参数繁多,多学科设计空间增加,分析困难。为分析不同布局参数对联结翼整体性能的影响,基于工程梁理论,对不同前后翼连接位置、前/后掠角、上/下反角、端板高度、根梢比等参数的联结翼开展气动弹性优化研究,以最小结构质量为目标,在静气动弹性与颤振等条件约束下,通过遗传算法对联结翼梁架结构翼盒剖面参数展开设计,并采用高精度计算流体力学/计算固体力学(CFD/CSD)耦合方法分析优化后的模型升阻特性。通过气动弹性优化,分别得到最佳结构性能和最佳气动性能的联结翼布局参数,结果表明:这种针对联结翼每个重要参数的最优解集可发现联结翼设计的规律,并为设计提供支撑。

适宜PCG方法的水工结构有限元刚度矩阵形成、组集和存储的新方法

针对水工结构有限元分析中刚度矩阵存储量大且易变动的特点,在分析目前常用的预处理共轭梯度法(PCG)算法特性基础上,提出适宜于PCG方法的水工结构有限元刚度矩阵形成、组集和存储的新方法.该新方法中,以"节点"为中心的刚度矩阵形成方法取代以"单元"为中心的刚度矩阵形成组集方法.针对预处理共轭梯度法中零元素不参与计算,提出只需存储非零元素及其在总体刚度矩阵的相应位置的记位存储策略.与传统方法相比,新方法在形成、组集时间和存储规模上均能更好地满足PCG算法的需求.

扩展有限元刚度矩阵的CSR存储实现

扩展有限元方法(XFEM)是处理裂纹、孔洞、夹杂等不连续问题中应用最为广泛的数值方法之一。XFEM基于单位分解方法,在标准有限元方法的位移近似函数中引入附加函数项来反映位移场的间断特性和奇异特性。附加函数项的引入,导致XFEM单元刚度矩阵大小不定,标准有限元方法的总体刚度矩阵的组集方法不能直接使用于扩展有限元方法中。本文提出一种基于‘广义相邻节点对’的非零元素存储方案,该方案通过使用“广义相邻节点对”和总体刚度矩阵中非零元素的位置一一对应的关系,配合大型稀疏矩阵的CSR存储格式(Compressed Sparse Row format:行压缩存储格式),直接从单元刚度矩阵组集形成压缩存储的总体刚度矩阵。该方案较好的解决了扩展有限元总体刚度矩阵的压缩存储和组集问题,详细阐述该方案的实现过程,将此方案成功实现于Fortran语言自主开发的扩展有限元程序中,并对程序的准确性进行了验证。

大型离岸深水导管架码头结构选型

为适应港口大型化深水化的发展,实现适用于-20～-30m水深海域的导管架式集装箱码头结构的位移和极限承载力计算分析和选型研究,通过分析结构内力和变形特征,对结构进行层间高度、去掉横撑、增加斜撑横截面厚度(外径或内径不变)和面积(厚度不变且增大半径)等一系列调整,比较分析不同调整方案对结构总体刚度及其极限承载力的影响.结果表明,从上往下增大导管架层间高度有利于提高结构总体刚度;去掉横撑对结构的总体刚度影响不大;在耗钢量相等的情况下,增大截面面积的方案对总体刚度的提高最大,但对极限承载力的提高不及增大截面厚度的方案,建议采用9腿柱导管架、X型斜撑、层高从上往下逐渐增大的结构单元,并采用增加截面厚度、外径不变的方法代替横撑,在耗钢量相等的情况下可提高结构总体刚度和极限承载力.

横梁分析法在曲线桥结构分析中的应用

平面曲线桥中，由于弯扭耦合作用，横梁对于增强桥梁的结构整体性、加强主梁之间的横向联系、改善主梁荷载横向分配性等起到重要作用，因此设计时不仅要求横梁的刚度要大，还应把横梁作为主要受力构件加以考虑。文章将曲线桥的横梁看作弹性支承在主梁上的多跨连续梁，主梁与横梁形成互为弹性支承的格构，充分考虑弯扭耦合作用的特卢、和横梁自身的变形，首先建立曲线桥横梁分析法的计算力学模型，然后用矩阵位移法推导横梁分析法计算曲线桥的基本公式，最后通过算例验证其可行性和准确性。

5×260 m主跨高速铁路多塔斜拉桥设计

为研究高速铁路多塔斜拉桥力学行为,以某高铁黄河桥为背景,对主跨5×260 m六塔斜拉桥进行结构参数及受力特性研究。结果表明:5主跨斜拉桥主梁竖向刚度约为单主跨斜拉桥的0.5倍;能显著控制塔顶水平位移的措施可有效改善主桥总体刚度,如采用刚性塔、加劲索;温度、收缩徐变引起长联主梁伸缩,对边塔形成“拖拽”效应,桥塔两侧索力变化使梁体产生附加竖向变形,进而影响轨道不平顺及残余徐变变形,并在边塔塔底产生较大内力,设计中通过延长桥塔成桥静置时间、减少主跨混凝土梁长度来减小梁体工后徐变,通过减小边塔相对刚度来降低温度对轨道不平顺影响。

网格结构中的杆件更换问题

在网格结构的杆件更换过程中,需要施加支顶力来保持新旧结构受力状态的一致性,所施加支顶力的大小可以通过杆系有限元法求解.如果需要更换的杆件较多,支顶力的计算过程比较繁琐,需要多次更改有限元模型.本文对于杆件更换时支顶力的求解提出了一种改进的方法,该方法不需要对模型的总体刚度矩阵作修改,有效减少了计算量.以杆件更换过程中产生的结构应变能误差最小为目标,可以找出多根杆件更换时最优的杆件更换顺序.按照改进后的方法求解,可以准确地求出最优杆件更换顺序,并且大大减少有限元的求解次数.

顶层钢结构的钢筋混凝土办公楼抗震分析

本文简要介绍了某12层顶部加钢结构的钢筋混凝土结构办公楼的抗震计算分析,利用ETABS、SATWE两种计算软件及三个计算模型,对钢结构与钢筋混凝土结构共同工作的建筑结构的刚度、周期、位移、结构内力等进行比较,指出此类建筑必须考虑钢结构和钢筋混凝土结构共同工作,采用总体计算、整体分析的必要性和可行性,对结构设计具有针对性及指导意义。