基于Python的平面杆系结构有限元分析

基于Python程序,将杆单元位移不连续、理想刚杆两种力学对象关联统一,开展平面杆系结构有限元模型分析,并实现一种基于“变量标记”的自由度集中处理的计算模式.基于虚功原理引入并推证刚体荷载传递定理,表明耦合单元、刚杆及忽略某一自由度的有限元内置算法处理过程中,实质是将单元刚度矩阵进行“刚化”处理.算例分析表明,“变量标记”的计算模式与单元刚度矩阵的“刚化”处理,具有力学模型的普适性和统一性、编程的可行性以及结果的可靠性等特点,能解决平面任意杆系结构的建模问题.研究结果表明,“主从结点”、“刚杆”等建模方法,对于进一步开展有限元二次开发、大变形以及非线性等功能性扩展等有重要的参加价值,证明将Python程序应用于结构有限元分析的可行性.

受限空间中斜爆震波波系结构及其演化

为了研究真实发动机中受限空间内斜爆震波的宏观波系结构,采用欧拉方程结合详细反应机理的数值模拟方法,开展了受限空间的斜爆震波的数值模拟,分析了不同转折角下斜爆震波波系结构及其演化过程。结果表明,在上壁面转折处膨胀波的影响下,斜爆震波反射形成的马赫杆在前移过程中衰减,最终会在上扩张壁面附近形成高温回流区和低温三角区的稳定结构,三角区由转折处波系、回流区和下游斜爆震波组成。随转折角增大,最终在转折处点处依次形成激波、弱压缩波和膨胀波,与斜爆震波相交,交点下游的斜爆震波衰减,在末端出现解耦现象。

基于模态阻尼指标的空间杆系结构作动器位置优化

针对空间杆系结构作动器的位置优化问题,本文基于线性二次型最优控制理论(LQR),建立了空间杆系结构振动的主动控制系统,提出了目标控制模态的模态阻尼最大化的作动器位置优化准则.采用四角锥网架结构和Levy型索穹顶结构来验证本文方法的有效性,并在控制效果和控制能量输入两方面与常用的模态控制力方法进行了对比分析.结果表明:随着作动器数量的增加,本文方法的控制效果和控制能量输入比模态控制力方法提升更快;在作动器数量相同或控制能量输入相同时,本文方法对外界激励的控制效果优于模态控制力方法.

大学生结构设计竞赛中空间杆系结构力学特性分析

针对历年大学生结构设计竞赛中空间杆系结构的赛题,以复压竹皮和竹杆为原材料设计空间杆系结构并进行其结构形式分析。利用有限元软件MIDAS Gen建模和计算,对系列空间杆系结构在多种荷载工况下的应力和位移进行数值模拟仿真,分析其承载能力和变形特征,总结出空间杆系结构在荷载组合工况下的强度、变形等力学特性以及结构优化的有效措施。

基于冗余度的杆系结构失效概率计算

目前结构体系可靠度计算过程中,失效模式的识别及其系统失效概率计算量过大。本文结合结构冗余度提出一种新的失效概率求解计算方法。首先利用结构可靠度理论,推导出结构单元的安全余量函数并求出其对应的失效概率,根据结构冗余度识别失效路径,确定失效概率最大值的杆件,最终通过构件的失效概率来计算结构体系失效概率。

酵母β-葡聚糖对泌乳中期奶牛生产性能、瘤胃发酵参数及微生物区系结构的影响

本试验旨在探究饲粮中添加不同水平酵母β-葡聚糖对泌乳中期奶牛生产性能、瘤胃发酵参数以及瘤胃微生物区系结构的影响。试验选取30头泌乳中期健康奶牛[胎次为(2.74±0.71),产奶量为(40.32±5.66)kg/d,泌乳日龄为(95.15±46.25)d],随机分为3组,每组10头。对照组(C组)饲喂全混合日粮(TMR),试验组(L组和H组)在此基础上分别补充饲喂20、40 g/(d·头)酵母β-葡聚糖。在正式试验期的第1、15、30、45、60天,采集乳样和瘤胃液样本,测定生产性能、瘤胃发酵参数和瘤胃微生物区系结构。结果表明:1)L组奶牛产奶量极显著高于C组(P<0.01),且L组和H组乳脂率、4%乳脂校正奶产量以及乳糖率均显著高于C组(P<0.05)。2)与C组相比,L组奶牛瘤胃中乙酸和丁酸的含量显著提高(P<0.05),但丙酸、氨态氮含量及乙酸/丙酸没有显著差异(P>0.05)。3)基于16S rRNA高通量测序技术,研究确定在门水平上,3组奶牛瘤胃中的优势菌门均为厚壁菌门和拟杆菌门。在属水平上,优势菌属均为普雷沃氏菌属。经过LEfSe分析,在奶牛瘤胃液中共检测到56个差异物种(线性判别分析≥2,P<0.05),其中24个物种在C组中发挥重要作用,32个物种在L组中发挥重要作用。综上所述,饲粮中添加酵母β-葡聚糖可以显著提高泌乳中期奶牛的产奶量和乳品质,同时对瘤胃发酵过程和微生物区系结构也产生了一定的影响。

大直径超高筒仓无井架辐射悬系结构液压刚性滑模平台技术的研究

近几年,随着我国经济的持续发展和城市化的加速,城市空间不断向高空、地下延伸;各种大型建筑的筒仓结构,是我国现有资源储量的一个重要标志.液压滑模是一种随着筒仓结构施工而产生的现浇钢筋混凝土结构的施工技术,该技术在现代大型筒仓结构施工中有着明显的优越性,可有效地提高仓体的机械化程度,节约大量的模板;同时,混凝土的施工具有较高的连续性、出模的质量和整体的稳定性,节约了建材,减少了工地的占地,取得了明显的经济效益.本文围绕宿州市粮食物流和应急保障中心建筑工程项目,研究大直径超高筒仓无井架辐射悬系结构液压刚性滑模平台技术,拟确保仓体垂直度及施工安全,且仓体滑模完成后,利用无井架辐射悬系结构液压刚性滑模平台作为直接施工仓壁环梁和仓顶锥壳结构模板支撑体系施工技术研创大直径超高筒仓无井架辐射悬系结构液压刚性滑模平台技术.

一种判定杆系结构动力稳定的新方法——应力变化率法

针对结构动力失稳的判定问题,提出了一种适用于杆系结构动力稳定分析的应力变化率法.基于杆系结构发生动力失稳时的总应变能突变特征,推导总应变能同杆单元应力变化率之间的关系,并分析应力变化率的变化规律,建立了判定系结构动力失稳的应力变化率准则.以四种突间杆系结构为例,应用应力变化率准则进行了结构的动力稳定分析,并将结果同位移准则分析的结果进行了比较.结果表明,应力变化率准则可以有效判定杆系结构的动力失稳,并且在判定结构的局部失稳方面非常有效和明确.

三维杆系结构的几何非线性有限元分析

为了更准确地描述杆系结构的几何非线性性能,建立了一种基于三维梁单元有限元分析的计算方法。引入了考虑两方向曲率和扭转角变化的坐标转换矩阵来描述任意增量下的单元平移和转动;采用了包括轴向变形和扭转的非线性项的刚度矩阵来考虑高阶非线性项的影响。应用广义位移控制法进行增量迭代,编制了相应的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D。通过对几个例子进行的分析,验证了该方法可较好地考虑结构几何非线性。

计算机软件应用体系结构模型研究

文章介绍了三种软件应用体系结构模型:单层应用体结构系模型、两层应用体系结构模型和三层或三层以上应用体系结构模型式,分析了三者各自的特点,并对其应用进行了简要探讨。

薄壁曲线杆系结构空间分析的刚度法

本文根据断面周线不变形的薄壁曲线梁翘曲扭转理论,用能量原理导出了当轴线在同一平面内的空间薄壁曲线梁进行刚度法分析的单元刚度矩阵以及各类荷载作用时的固端力计算方法.取一个节点为七个自由度,分别为空间三个方向的线位移、角位移以及梁端的翘曲位移.在分析中,考虑了断面的剪切中心与形心不重合的影响.本文最后给出了几个算例,证明计算公式是正确的.

基于改进应力变化率法的空间杆系结构鲁棒性分析

为研究空间杆系结构鲁棒性及结构失效模式预测方法,将杆件关键系数引入应力变化率法用于结构失效模式预测和结构可靠度分析以考虑悬链线作用对杆件失效模式的影响。利用ANSYS数值模拟分析了静力阶跃荷载和竖向地震荷载作用下单层星型穹顶结构杆件失效模式,对比了考虑杆件关键系数前后应力变化率曲线。作为对比分析,应用有限元软件ALGOR分析了一种新型张弦桁架结构在7种局部构件损坏工况下剩余构件内力变化的敏感性系数,分析了结构可靠度的鲁棒性并同传统张弦桁架结构进行了对比。结果表明,考虑杆件关键系数后显著提高了临界破坏发生前若干荷载步的应力变化率,从而可利用该方法在结构失效前进行预警。通过改变下弦拉索的数量和布置方式可有效降低其对构件内力变化敏感性的影响,从而有效提高结构可靠度。在断索工况下,该高冗余度张弦桁架结构可提高结构抗连续性倒塌能力,延长结构从局部破坏到全部倒塌的过程,增加了结构安全储备,增强了结构抵抗灾变荷载的能力。

随机杆系结构的概率优化设计

对随机参数结构在随机载荷作用下的结构分析、可靠性分析和优化设计等问题进行研究。以桁架结构为对象进行结构分析 ,分别或同时考虑结构材料的物理参数、构件的几何尺寸和作用载荷幅值等的随机性。应用代数综合法对结构响应 (位移、应力 )随机变量的数字特征计算表达式进行推导。在结构可靠性分析的基础上 ,构建以杆件截面积为设计变量 ,使结构重量极小化为目标函数 ,同时具有应力和位移可靠性约束的优化设计数学模型。对模型中的可靠性约束进行等价显示化处理 ;对结构响应进行基于可靠性的灵敏度分析 ,导出结构响应可靠性约束的灵敏度计算公式。

混凝土平面杆系结构破损评估理论及试验研究

本文探讨了用动力测试和分析的方法对混凝土平面杆系结构进行破损评估的理论，提出了用残余力向量判定结构破损的部位和用加权灵敏度分析评定结构破损程度的方法．通过钢筋混凝土框架动、静力试验结果对比分析，证实了本方法的可行性。

杆系结构自由振动精确求解的理论和算法

杆系结构的自由振动特性对结构的抗震设计至关重要。与常规有限元方法采用近似形函数将原问题化为线性特征值问题不同,本文的精确方法从杆件精确的形函数出发获得精确的动力刚度,将原问题化为非线性特征值问题。已有的Wittrick-Willliams算法很好地解决了该问题的频率求解。在此基础上,进一步提出了求解该非线性问题的导护型Newton法格式,并优化了各个算法环节。该法能同时求出频率和振型,求解结果精确可靠且具有二阶收敛速度,是一种快速精确、可靠实用的工程计算方法。

含铰接杆系结构几何非线性分析子结构方法

将细长杆系结构按长度方向划分为多个子结构,由于在子结构坐标系下的节点位移均是小位移,可以将子结构内部自由度凝聚到边界.考虑到子结构端面在变形过程中保持为刚性截面,将端面节点自由度进一步凝聚到端面形心点,这样每一个子结构就减缩成形式上只有两个节点的广义梁单元,大大减缩了自由度.大位移大转动是细长杆系结构产生几何非线性效应的一个重要原因,基于共旋坐标法,建立了随单元一起运动的随动坐标系,推导了子结构单元的节点力平衡方程及其切线刚度阵.同时,考虑到工程机械中细长杆系结构含有相互铰接的刚体加强块,给出了非独立自由度节点力转换到独立参数下的广义节点力及其导数.最后,通过履带式起重机的副臂工况算例,给出了其在不同载荷下的臂架结构位移,验证了方法的正确性.

混合动力汽车传动系结构分析

混合动力电动汽车是指采用2种动力源作为动力装置的汽车。由于混合动力电动汽车在节能和排放污染方面的特点,因而受到很大的重视,研制开发和产业化进程相当快。因混合动力汽车各个组成部件、布置方式及控制策略的不同,形成了各式各样的结构型式。目前混合动力电动汽车主要有3种混合驱动结构:串联式、并联式和混联式,该文对这3种混合动力系统结构和特点进行了分析,并重点介绍和分析了并联式结构中的不同结构特点。

基于离散元法的杆系结构几何非线性大变形分析

提出应用离散元法(DEM)来求解二维、三维杆系结构的几何非线性大变形问题.基于简单梁理论,推导了适用于杆系结构分析的弹簧接触刚度系数计算公式,给出了时间步长临界值估算方法,并用实例对其进行了正确性检验.DEM方法本质上是求解结构的动力行为,对于需要计算静力解的问题,综合考虑数值精度和计算效率,建议阻尼系数取为0.7.列出了3个典型数值算例,即2个平面框架和1个空间网格结构,分别对其静力和动力大变形行为进行了模拟,并将结果与其他计算方法的结果进行比较,两者吻合良好.利用DEM方法处理几何非线性问题时无需组集刚度矩阵,也无需迭代求解非线性方程,故该方法适宜于处理杆系结构的大变形问题.

杆系结构的弹性冗余度及其特性分析

为区别常规冗余度概念,给出了弹性冗余度定义.鉴于杆系结构的弹性冗余度与几何拓扑及弹性刚度有关,通过对势能方程求解微分,得到结构的平衡方程、物理方程和几何协调方程;将几何协调方程线性化,代入平衡方程和物理方程,得到弹性冗余度的计算公式,并用Matlab编程实现该算法.经典算例揭示了杆系结构的弹性冗余度特性.

混凝土杆系结构滞回全过程分析

本文基于非线性有限元原理,采取由材料本构关系直接形成单元M—N—φ关系的方法,推导了混凝土杆系结构的单元刚度矩阵,该矩阵考虑了材料非线性、几何非线性、轴力二次矩、混凝土的裂面效应、预应力的特点、钢筋的粘结滑移以及材料的双切线模量等的影响;编制了相应的分析程序,并对两榀混凝土门架的滞回性能进行了模拟计算,计算值与试验结果吻合较好。本文程序实现了混凝土杆系结构包括下降段在内的滞回全过程分析,从而为该类结构的抗震研究提供了一个准确、实用的工具。