基于VFIFE法的剪式铰结构建模研究

剪式铰杆系结构在宇航领域有着广泛的应用,众多学者进行了深入研究。对剪式铰结构的展开过程分析非常重要,传统的分析方法是采用多体动力学。研究基于向量式有限元法(VFIFE)基本理论,分别建立剪式铰结构的柔性杆模型和刚性杆模型。根据强制几何约束,提出剪式铰结构的刚性杆建模方法,并推导内力计算。对柔性杆建模方法,根据位移一致原则,推导内力计算。根据理论模型,针对某一剪式铰杆系结构,进行展开过程模拟,对展开位置误差、展开时间和展开速度进行分析。研究结果表明,刚性杆和柔性杆模型均能顺利模拟展开过程,二者模型计算结果存在微小的误差。柔性杆模型特征点展开速度小于刚性杆模型展开速度,但柔性杆模型展开时间大于刚性杆模型展开时间。

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。

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。

串联浮筒锚泊系统的静力位形及内力分析

向量式有限元法作为一种结构行为分析的创新性方法,在处理复杂边界条件下的几何非线性问题方面具有极大的优势。详细介绍向量式有限元法的基本原理和建模求解过程,将锚线离散为一系列质点的集合,采用空间杆单元模拟质点之间的相互作用。对比锚线在静水平衡状态下的特性响应,在此基础上对串联浮筒锚泊系统在不同方案下的形态、张力值和回复力等特性进行深入分析。结果表明:向量式有限元法与其他建模方法在位形确定和张力分析方面吻合度极高;由于其在建模求解方面的简洁性,能为各种锚泊系统的特性分析提供一种新的数值模拟方案。

钢悬链线立管初始位形及内力分析

基于向量式有限元法对钢悬链线立管初始几何位形及内力进行了建模和求解。向量式有限元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。本文提出了一种初始位形建模新方案,将立管离散成一系列质点的集合,质点间用只承受内力而无质量的弯曲杆件元连接,采用牛顿第二定律来表达质点的运动行为,并用中央差分的显式积分法求解质点各时刻的控制方程,编制相应Matlab求解程序。与他人研究对比分析了三种立管形式,结果表明基于向量式有限元的位形求解方案是可行和正确的,分析了该方法所具备的优势,为悬链线立管初始位形和内力计算提供了一种高效的数学模型及可靠稳定的数值模拟方法。

内孤立波作用下柔性跨接管动力性能研究

活跃在中国南海的内孤立波已经成为该地区海洋油气资源开发中不得不考虑的因素。跨接管作为连接水下油气储存开采设施与海面油气处理设施的重要装置,由于具有较大柔性,由内孤立波引起的剪切海流将会对其产生巨大影响。采用KdV方程对内孤立波进行模拟,基于向量式有限元法,建立了柔性跨接管的动力学分析模型,对不同方向内孤立波作用下的跨接管的动力性能进行分析。分析结果表明在内孤立波作用下,跨接管存在一个明显的动力过程,能够导致跨接管产生较大的位置移动及其整体位置的抬升,同时跨接管对于内孤立波的入射角十分敏感,其内力可能发生突然变化。内孤立波的振幅对跨接管的极值响应有显著影响。

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.

向量式有限元法在管土相互作用中的应用

向量式有限元法是基于向量式力学和数值计算的一种创新性的结构行为分析方法。文章采用三种弹簧模型模拟海床,将向量式有限元法用于钢悬链线立管触地段与海床土体相互作用研究中,编制相应Matlab求解程序,计算了端部施加一定位移下立管的位形和弯曲应力,并与他人基于有限差分法及ABAQUS的模拟结果进行对比,同时运用该方法分析了弹簧模型、土体刚度、土体吸力系数等参数对立管触地段变形和弯曲应力的影响。结果表明向量式有限元法在模拟静态端部位移加载下的管-土相互作用是准确和可行的,能够直接求解变形和内力,具有相对简洁性,此方法是对立管力学行为的模拟,符合实际运动变形过程。为模拟管-土相互作用提供了新方法,同时为进一步研究实际循环载荷下管-土相互作用奠定了基础。

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。

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。

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。

基于向量式有限元法的某开合屋盖结构关键拉杆失效分析(英文)

绍兴县体育中心体育场开合屋盖结构由固定屋盖和活动屋盖组成,活动屋盖可以在固定屋盖的轨道上滑动.根据建筑需求,固定屋盖的主桁架设计为扁拱状.为克服扁拱结构效率较低的缺点,主桁架下部安装了一系列实心拉杆形成弓形的结构.显然,拉杆是屋盖结构的关键受力构件,它的失效对整个屋盖结构的力学性能有很大影响.向量式有限元(VFIFE)是一种新型的结构分析数值方法,特别适用于处理动力和大变形问题.本文采用向量式有限元法对屋盖结构闭合和开启状态下关键拉杆的突然失效进行了分析,追踪了关键位置的位移、构件内力以及支座反力的动力响应过程.结果表明,对于单拉杆设计方式,开合屋盖在拉杆失效后呈现很强的动力响应;实际结构设计采用的并行多杆形式能有效减少拉杆失效产生的屋盖结构动力响应.

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.