基于有限质点法和代理模型的加筋箱梁结构筋板尺寸优化

为解决加筋箱梁结构筋板尺寸的优化问题,文中先用无需构建刚度矩阵直接求解几何非线性问题的有限质点法对结构进行屈曲分析,再由基于泛克里金代理模型和多岛遗传算法相结合的全局搜索策略优化筋板的尺寸,从而在保证分析精度的条件下节省数值计算的时间,最后以单向受弯箱梁节段为例对其屈曲分析和尺寸优化设计。通过与原模型的比较,在优化过程收敛性好、时间成本低的情况下满足了提升承载性能的目标,验证了所提出的优化方法的可靠性。

基于有限质点法的单层柱面网壳冲击作用下动态响应

为了探究单层柱面网壳结构受冲击作用下的动态响应,验证有限质点法模拟网壳结构冲击动态响应的准确性,建立了7个冲击工况的有限质点法模型,采用以对称罚函数为基础的双球碰撞模型为冲击模型,根据能量守恒定律确定冲击模型中碰撞刚度系数,引入Cowper-Symonds本构模型,获取结构动力响应,并将模拟结果与试验结果对比。结果表明:1)有限质点法得到的冲击力时程变化曲线与试验结果相近;2)由于未考虑结构损伤因素,有限质点法所得节点位移略小于试验值,但所获得的结构失稳动量与试验一致;3)冲击产生的网壳应变能更易沿着网壳斜杆传递,同时冲击区杆件,刚度较大区域如支座附近的杆件为结构的主要受力构件。有限质点法可以较为准确的判断单层柱面网壳结构受冲击作用的动态响应,可为提高相关结构抗冲击性能提供理论依据。

基于有限质点法的薄壳结构非线性屈曲分析

为解决薄壳结构非线性屈曲问题,使用无须构建刚度矩阵可以直接求解几何非线性问题的有限质点法,并引入双线性强化模型分析材料的非线性特性,以工字梁为例分析加筋工字梁腹板屈曲过程。结果表明:在集中载荷作用下,载荷较小时加筋工字梁腹板呈现倾角约为45°的半波曲面,随着载荷增加,结构发生侧向变形,出现整体失稳;在局部载荷作用下,随着载荷增加,加筋工字梁腹板最大变形位置从受压段下方的腹板处变化到翼缘板处,结构出现整体失稳。有限质点法能分析结构弹塑性屈曲的全过程,体现有限质点法在分析结构弹塑性屈曲中的优势。

基于有限质点法的含间隙铰平面机构动力分析

间隙的存在使得铰节点的轴承和轴颈易发生碰撞,从而使带间隙机构的动力响应与理想机构不同。基于有限质点法,对含间隙铰的平面机构开展动力分析。首先给出有限质点法的质点运动控制方程和平面梁单元的内力计算公式。然后引入Lankarani-Nikravesh模型和修正库仑摩擦模型,来计算间隙铰中轴承和轴颈碰撞过程中的接触力和摩擦力。对平面四杆机构和曲柄滑块机构开展了动力分析,验证了该文方法的正确性和有效性。分析结果表明:间隙铰对机构运动的位移和速度影响不大,但使加速度有较大振荡;相比于理想铰,间隙铰的接触力峰值也有较大的增加;相比于刚性机构,柔性机构中间隙铰导致的动力响应要小;而相比于单个间隙铰,多个间隙铰将增大机构的动力效应。

正交异性膜材大变形行为的有限质点法求解

建筑薄膜具有正交异性和拉伸非线性的力学特性,其本构关系的表征和大变形行为的描述都较为复杂,具有很强的几何、材料双重非线性特征。有限质点法是一种新颖的结构数值分析方法,它将传统分析力学方法中复杂的函数连续体模型用清晰的离散质点物理模型取代,通过质点的运动描述结构的行为。该文根据途径单元的基本概念直接在质点内力计算过程中引入不同的膜材本构,将有限质点法拓展应用于正交异性薄膜结构的几何与材料非线性大变形分析。为了准确表征膜材力学特性,根据复合材料本构理论分别建立了适用于有限质点法的正交异性膜材的线性与非线性拉伸本构模型,并通过若干算例探讨了该文方法和程序的适用性和正确性。

采用有限质点法的薄壳动力非线性行为分析

基于有限质点法原理和K-L经典薄壳理论,构造具有大位移大转动分析能力的薄壳离散质点模型,推导表述基本控制方程与公式.对于质点位移以及壳元的变形和内力,均按照面内拉压和面外弯扭两部分进行拆分与叠加,并通过物理方式的虚拟运动依次分离出与薄膜刚度和弯曲刚度相关的纯变形,进而在局部变形坐标系下求解面外变形相对应的质点内力和内力矩,建立质点切平面外转角的变步长显式时间积分式,并对质点质量、时间步长、阻尼等关键参数取值给出建议.在此基础上引入材料非线性应力修正算法,实现对薄壳弹塑性大应变动力非线性行为的模拟,并通过典型算例验证方法及程序的有效性和正确性.

基于有限质点法的双层柱面网壳强风作用下倒塌破坏研究

采用有限质点法研究空间柱面网壳在强风作用下的倒塌破坏性能.推导了有限质点法基本方程和三维空间单元的内力计算公式,给出了利用该方法分析结构几何非线性、材料非线性的具体过程,建立了断裂模型和断裂准则.在破坏过程模拟中,考虑风速风压模拟的空间三维相关性,运用线性滤波器法中的自回归(AR)模型编写程序模拟脉动风速与风压,实现了强风作用下双层柱面网壳的倒塌全过程分析.基于结构倒塌模拟结果,建立衡量结构倒塌破坏的控制指标,对双层柱面网壳的结构参数进行优化,提高了双层柱面网壳的抗倒塌性能.

模拟结构倒塌破坏的有限质点法

有限质点法是以向量式力学为基础的新兴结构分析方法,本文将其应用于冲击荷载作用下的网壳结构的倒塌破坏模拟中。以空间杆单元为例建立了有限质点法的基本方程,推导了求解几何和材料非线性问题的基本公式。为计算断裂问题,建立了空间杆单元的断裂准则和断裂模型,发展了有限质点法进行断裂分析的基本算法。通过对某双层网壳冲击荷载下破坏过程的模拟和分析,验证了该方法在结构倒塌破坏过程模拟中的有效性和适用性。

多质心有限质点法及其在工业机器人动力学建模的应用

工业机器人动力学建模对提高机器人末端定位精度有着重要意义。传统工业机器人动力学建模方法多基于机器人杆件刚性假设,未能满足因臂杆柔性引发的机器人弹性振动现象的建模需求。为此,对多质心有限质点法及其在工业机器人动力学建模的应用进行研究。该方法使用简便统一的框架对杆件柔性变形进行动力学分析,其逆向运动方式,相对于传统有限质点法,不仅推导流程更为简单方便,而且有效降低了单元刚体位移对节点纯变形求解的影响,提高了对于工业机器人这种刚体大转动-柔性变形耦合模型计算的收敛性。通过悬臂梁模型验证了该方法的准确性和收敛性。进一步将多质心有限质点法结合正运动学对工业机器人动力学建模,将建模结果与实验数据对比,验证了该模型的结果与实验结果有着较好的重合度。

有限质点法阻尼构造问题的研究

有限质点法(FPM)是一种向量式的结构计算新方法,它通过质点的运动描述结构的行为。该方法本身是一个求解结构动力学问题的显示积分方法,但是一直以来有限质点法对阻尼问题的考虑存在不足。该文首先将介绍有限质点法的基本原理和现有阻尼形式,然后将基于Rayleigh方法提出两种适用于有限质点法的阻尼构造方法。通过单层网壳多点激励下的动力数值分析以及框架振动台试验两个实例进行讨论,验证了提出的阻尼构造方法的正确性。结果表明该文工作能改善原有阻尼构造形式的不足,且具有较高的精度,并能完善有限质点法的动力计算理论。

考虑剪切和扭转变形的有限质点法纤维梁单元研究

为提高有限质点法分析结构弹塑性问题的精度,该文将纤维梁模型融入有限质点法的计算求解框架中,推导了考虑剪切变形和扭转变形的有限质点法纤维梁单元的质点内力求解公式。该单元采用Timoshenko梁理论描述梁截面变形状态,以单元纯变形分量表示截面上任一点的位移,并结合纤维材料的三维本构关系以考虑弯曲、剪切和扭转变形之间的耦合作用。数值算例的分析结果表明,该纤维梁单元能够有效地模拟结构弹塑性行为,相较于塑性铰法具有更高的精度。

基于并行有限质点法的界面断裂-接触行为分析

界面断裂、摩擦接触等行为广泛存在于结构破坏、连续倒塌、上下部结构协同等实际工程的精细化分析中。有限质点法对于强非线性行为模拟的适应性以及并行计算能力的优势使其可以以较低的成本完成界面行为的细观模拟。该文提出了适用于有限质点法并行计算体系下的三角形界面单元,用于通用化地模拟界面之间的粘结、断裂、接触等界面作用行为。基于并行化的有限质点法计算框架,该文详述了并行化的作用对侦察,并介绍了基于等加速度的粘结作用、基于内聚力模型的断裂作用,以及基于罚函数法的接触作用这三种作用下的状态判据和作用力计算方法。依托于有限质点法通用计算平台FPM,通过模拟界面行为的数值算例的形式对此界面单元的计算效果进行了正确性和有效性验证。

基于有限质点法的输电导线找形研究

对输电导线进行动力分析前,需先确定其初始形态,为此采用有限质点法进行输电导线的找形,通过自编MATLAB程序,动态模拟导线找形全过程,并确定导线最终形态。最后,分别采用有限质点法、悬链线法和有限单元法对一些算例进行计算并进行对比,结果表明了有限质点法的精确性和有效性,为导线的动力分析打下基础。

基于有限质点法的输电导线微风振动研究

特高压输电线路导线微风振动对线路的破坏日趋明显,基于此,采用有限质点法对导线的微风振动响应进行研究。通过采用构件的点值描述,将构件离散为质点,质点与质点之间通过单元连接,质点的运动遵循牛顿第二定律,并通过中心差分法求解质点的运动来追踪构件的行为。计算发现,有限质点法能考虑输电线质量、几何非线性的影响,计算结果更加真实。最后,采用有限质点法计算了不同风激励条件下导线微风振动的响应,且计算分析结果与能量平衡法的结果基本吻合,表明有限质点法的正确性。

利用球形弹簧摆对输电塔风振控制的有限质点法

为了研究球形弹簧摆对输电塔结构的风致振动控制效果,通过分段等刚度梁单元建立输电塔简化模型。给出了空间梁系结构基于Timoshenko梁理论的单元内力计算公式,并应用有限质点法对简化模型及其与球形弹簧摆的耦合系统进行风致响应分析。一方面,球形弹簧摆由于内共振性质实现非线性能量阱,从而增加振动抑制频带的宽度,提高了鲁棒性;另一方面,球形弹簧摆和结构的非线性耦合,使得顺风向的振动能量部分转移到横风向,尽管增大了横风向响应,但是降低了结构的总体响应。计算结果表明球形弹簧摆减振效果非常好,当将其安装在除塔顶外的三个位置时,位移最大值和加速度均方根减振率分别为32.5%~41.7%和35.7%~65.2%。保持质量比和安装位置不变,验证了球形弹簧摆具有较宽的设计频带。使用球形弹簧摆可以显著减小位移标准差,有利于降低结构的疲劳损伤风险。

基于非线性梁理论的有限质点法

有限质点法是以向量式力学为基础,用有限数量的质点来模拟结构的变形行为,质点的运动由牛顿运动定律来计算。在有限质点法中,质点通过构件相连,构件约束着质点的运动,并且其内力由质点的运动变量来描述。基于向量式力学的基本思想和非线性梁理论,提出了一种新的有限质点法,该方法在共旋单元坐标系中描述梁的非线性变形。以空间梁系结构为例,推导了计算构件内力的非线性公式,并考虑了弯扭耦合变形。通过两个连续欧拉角的变换公式得到共旋坐标系的旋转矩阵。与传统的有限质点法相比,本文提出的方法避免了刚体虚转动分析。通过四个结构的数值求解,验证了本文方法在计算结构大变形响应时具有较高的精度。

基于有限质点法的牵引走板与双滑车多体动力计算方法

根据输电线路张力放线施工中牵引走板与放线滑车的实际接触运动关系,构建了由钢丝绳、牵引走板、导线及双滑车等部件组成的多体运动系统,提出了符合实际情况的钢丝绳、导线、牵引走板等与双滑车的接触判断方法.基于有限质点法理论,结合部件间的空间位置关系,给出了单元节点的作用力表达式,并通过罚函数法给出了不同接触状态下牵引走板对滑车的接触力,形成了可分析牵引走板与双滑车结构接触碰撞的动力计算方法.根据张力放线施工实际情况,计算分析了牵引走板与双滑车结构接触过程中的滑车载荷、摆动角度的变化,并针对悬挂长度、走板厚度等施工因素,总结了牵引力、最大接触力、滑车载荷、摆动幅度等参数对系统安全的影响.本文提出的计算方法可指导工程中牵引走板与滑车的结构设计及施工安装,为输电线路放线施工提供技术参考.

采用有限质点法分析导线微风振动的有效性与适用性

将有限质点法(finite particle method,FPM)应用于导线的微风振动分析,以研究该方法的有效性。FPM是一种基于向量式结构力学的分析方法,将结构离散为质点并对其进行点值描述;质点与质点之间通过单元连接;质点运动遵循牛顿第二定律,可通过中心差分法得以求解。通过与能量平衡法及有限元法的分析结果对比,验证了FPM的有效性与适用性。采用FPM分析了风速、导线运行张力以及档距对导线微风振动的影响,结果表明对导线微风振动有较大影响的因素是风速和导线运行张力。

结构复杂行为分析的有限质点法研究综述

有限质点法是一种结构分析的新方法,它以向量力学理论和数值计算为基础,以点值描述和途径单元为基本概念,以清晰的物理模型和质点运动控制方程描述结构行为。该方法的计算不需组集单元的刚度矩阵,也不需迭代求解控制方程式。与传统方法相比,在结构的动力、几何非线性、材料非线性、屈曲或褶皱失效、机构运动、接触和碰撞等复杂行为分析中有较大的优势。该文首先介绍有限质点法的基本理论,在此基础上着重阐述这种新的数值分析方法在空间结构复杂行为研究领域的优势及应用,并对该方法的发展趋势作出展望。

基于有限质点法的结构动力非线性行为分析

有限质点法是以向量力学为基础的崭新的结构分析方法,该文将其应用到结构动力非线性行为分析中。该方法将结构离散为质点群,采用牛顿定律描述质点的运动,通过对质点行为的模拟和分析计算结构行为。该文介绍了有限质点法的基本思想,提出了该方法分析结构"动"与"静","线性"与"非线性"问题的独特思路。以杆系结构为例,推导了该方法求解结构动力反应,及几何、材料非线性问题的基本公式。通过三个数值算例,验证了该方法在结构动力非线性行为分析中的正确性和适用性。有限质点法在处理动力非线性问题时无需迭代求解和特殊修正,与传统方法相比在结构复杂行为分析中有明显的优势。