基于UPFs的粘弹性人工边界单元及地震动输入方法研究

基于粘弹性人工边界相关理论和地震动输入方法的有关理论,推导并建立了既具有粘弹性人工边界特性,同时可以将地震动转化为施加在人工边界上等效荷载的三维粘弹性人工边界,并利用二次开发工具UPFs将其成功地嵌入至通用有限元分析软件ANSYS中。通过Lamb表面源问题以及内源问题对上述二次开发单元进行了验证。算例表明,该单元可以很好地对无限地基辐射阻尼进行模拟。随后通过对自由场波动输入问题的验证,表明该单元可以实现在有限元单元级别上准确有效地施加地震动等效荷载。与传统的粘弹性边界施加方式相比,该单元有着更简单的使用性以及更强的操作性,同时又不增加计算模型的规模等优势,因而计算效率更高。同时,结合通用有限元分析软件ANSYS强大的建模和计算分析能力,使粘弹性边界有着更广泛的应用,并可适用于各种结构-地基动力相互作用问题的分析。

空间钢框架精细塑性铰法高等分析

几何非线性单元的精度主要决定于单元恢复力的计算方法，刚度矩阵对单元精度的影响很小。建立了考虑剪切变形影响的精细塑性铰法空间梁柱单元。单元二阶效应由稳定函数考虑，采用精细塑性铰模型考虑材料非线性，可考虑截面的逐渐屈服以及由残余应力引起的分布塑性对单元刚度的削弱。单元刚度矩阵包含了轴向、弯曲和扭转位移之间的耦合效应。利用ANSYS软件的用户可编程特性（UPFs）编写了单元程序，通过连接将用户单元添加到ANSYS软件单元库中。算例分析结果表明，采用作者提出的单元时，每根杆件用一个单元模拟分析可达到很高精度，而采用ANSYS中BEAM189单元时，每根柱需3-4单元模拟才能达到合适的精度。分析结果还表明，多高层框架结构中构件剪切变形的影响不可忽略。

半刚性钢框架实用非线性分析

介绍了在钢框架分析中考虑连接柔性的方法以及常用的连接M–θr模型,建立了能够同时考虑几何、材料和连接非线性的精细塑性铰法三维梁柱单元。单元采用稳定函数考虑二阶效应和剪切变形,采用切线模量和抛物线函数考虑沿单元长度和截面的逐渐屈服,采用Kishi-Chen幂函数模型和修正梁单元方法模拟半刚性连接的非线性行为。利用ANSYS软件的用户可编程特性(UPFs)编写了单元程序,并将用户单元添加至ANSYS软件单元库中。半刚性框架算例分析表明:用户单元分析的荷载-位移曲线与试验结果吻合较好,与采用COMBIN 39单元模拟连接所分析的结果非常接近。

弯曲缩短对杆件结构非线性分析的影响

为了考察弯曲缩短对杆件结构非线性分析的影响(弓形效应),利用ANSYS用户可编程特性(UPFs)研究了考虑弓形效应的实用方法,采用ANSYS数值模拟方法对若干杆件结构算例进行了弹性及弹塑性大位移分析。算例分析结果表明:对于扁平刚架等易发生跃越失稳的结构,弯曲缩短的影响大,分析时应予以考虑;而对于普通矩形框架结构,弯曲缩短的影响可以忽略不计。采用弓形函数的近似表达式可有效考虑弯曲缩短效应。

基于ANSYS软件UPFs的邓肯-张模型二次开发

ANSYS软件具有强大的可开发性,在数值计算领域中应用广泛,标准的ANSYS程序中缺少岩土工程数值计算常用的邓肯-张模型。ANSYS参数化设计语言(ANSYS parametric design language,APDL)计算效率低下,而邓肯-张模型计算三维问题会存在较大误差。基于用户可编程特性(User Programmable Features,UPFs)二次开发平台,编写了适用于邓肯-张模型的用户子程序,以二维和三维算例进行验证,并在三维算例中采用改进的邓肯-张模型新算法。结果表明,利用UPFs二次开发邓肯-张模型可靠且计算效率高,可以推广到其他本构模型的二次开发中,改进的邓肯-张模型新算法具有更高的精度。