AN IMPROVED ARC-LENGTH METHOD AND APPLICATION IN THE POST-BUCKLING ANALYSIS FOR COMPOSITE STRUCTURES

Based on the conventional arc-length method, an improved arc-length method with high-efficiency is proposed. The weighted modifications with respect to the variation of structural stiffness and extra-interpolation modification by using the information of known equilibrium points are introduced to improve the incremental arc-length. An approximate expansion method for the accumulated and expected arc-length is used to ensure the convergence at given load levels in large range of applications. Numerical results show that the improved arc-length method has well adaptability and higher efficiency in the post-buckling analysis of plates and shells structures for tracing whole load-deflection path and obtaining the convergence values at any specified load levels.

基于杆系离散元理论的结构屈曲显式弧长法研究

基于杆系离散元理论,提出了一种显式弧长法用于结构弹性屈曲全过程分析。建立了新型接触单元-铰固接触单元的本构模型,分别采用离散元法和结构力学方法对铰固接触单元在已知端部位移工况下进行受力分析,并通过端部内力相等建立方程,推导了接触刚度系数;采用动力阻尼技术简化了颗粒运动方程的求解过程,然后引入总位移约束弧长法,详细阐述了与离散元法相结合的求解策略和实施过程,并给出了相关分析参数的计算公式;通过算例验证了该方法的准确性和适用性。在追踪结构屈曲平衡路径时,该方法无需组集刚度矩阵、不涉及矩阵奇异等不收敛问题,且参数少、稳定性好,与传统有限元弧长法相比更具优越性,为结构分析提供了新的算法工具。

膜片翻转过程中的偏心问题及改进方法

金属贮箱膜片翻转试验中出现的偏心问题,易造成气液掺混、推进剂泄露等严重后果。为解决膜片的偏心问题,数值计算膜片翻转过程,通过加入弹塑性本构模型引入了显著的数值偏心现象,膜片的最大偏心量约为60mm,且其偏心表现形式与试验中的偏心形式一致性好。提出了改变锥段高度与膜片厚度、环向加筋等方法解决偏心问题,得出了不同方法对数值偏心现象的改善结果。研究表明:增加膜片厚度改善偏心问题效果最好,但同时会显著提高膜片的屈曲载荷与结构质量;改变锥段高度方法次之,但最优锥段高度需根据膜片圆弧旋转段半径进行相应调整;环向加筋方法稍差,但通用性好,且不会显著提高结构质量。

拱结构屈曲的几何非线性有限元分析

通过能量泛函的变分原理,推导出空间梁单元的几何非线性刚度矩阵,采用弧长控制法进行拱结构的几何非线性有限元分析,用以处理屈曲时载荷下降的问题,并通过算例,说明文中算法和程序的正确性和有效性。

弧长法在边坡稳定非线性有限元分析中的应用

在有限元强度折减法的基础上,引入计算结构临界状态荷载值的弧长法进行边坡工程稳定分析。该方法是在迭代过程中调整荷载增量的大小以得到收敛的解,从而在计算时可自动调整土体强度参数的降低程度。最后通过算例验证了本算法的有效可靠性和适应性。并与直接有限元强度折减法计算结果进行比较,结果表明,在边坡稳定非线性有限元分析中,引入弧长法不仅改善了有限元迭代的收敛性,而且还可以更准确地求出边坡安全系数。

混凝土结构全过程非线性分析的弧长法研究

弧长法作为结构非线性分析算法 ,具有很强的结构负刚度求解能力 ,已被广泛应用于结构的几何非线性有限元分析 ,但将其应用于混凝土结构的材料非线性分析存在一定的困难。本文首先介绍了弧长法的基本思想 ,在此基础上尝试将弧长法用于混凝土结构的全过程非线性有限元分析 ,并对出现的问题提出相应的解决措施。

有限变形的弧长算法

近些年来 ,人们提出了很多方法来解决结构静力非线性跟踪分析问题。其中 ,弧长算法应用最为广泛 ,但是 ,其中仍存在很多问题。本文针对梁板壳结构计算中的有限变形弧长算法 ,首先引入了将位移自由度与转动自由度分离提法 ,在此前提下对前人已有的算法加以改造 ,建立一个 N + 1维的增量弧长方程组进行跟踪求解 ,本文同时引入了无量纲化、增量板长自动调节系数、奇点的判定准则 ,最终提出一个实用的弧长算法。本文在结尾将给出几个算例以显示该算法良好的跟踪性能。

弧长控制类方法使用中若干问题的探讨与改进

在结构非线性跟踪分析中，弧长控制类方法和能量控制类方法是两类最主要的方法。近年来，各类弧长方法由于概念简单明了、计算方便可靠而广为采用。本文首先对几种主要弧长方法的使用进行回顾和比较，并就跟踪失败的可能情况作简单探讨，进而针对部分可能失败的情况提出改进措施。再以一个同时存在跳跃及跳回现象且具有分枝路径的问题为例，将这几种弧长方法用于其变形全过程的跟踪分析，来验证所提出的改进措施，比较这几种弧长方法的跟踪能力。最后给出使用这些弧长方法的几点结论。

残余应变对锥柱形膜片多次翻转行为的影响

弧长法能跟踪复杂的非线性平衡路径全过程,但计算受初始设定载荷影响较大,而针对这一局限设计的改进算法能更好地求解膜片翻转过程。考虑新型Ti3012合金、纯钛、理想材料,基于改进弧长法研究残余应变对锥柱形膜片多次翻转行为的影响,得出新型Ti3012合金膜片的正翻与回翻过程均没有纯钛膜片好,且存在严重偏心现象,其98%正向翻转状态时回翻过程中不仅偏心量达到60mm,而且出现褶皱等严重失效行为;理想材料在不同正向翻转状态时反向回翻,膜片均存在严重的偏心问题,最大偏心量大于80mm;纯钛膜片仅98%正向翻转状态时回翻过程中偏心量稍大,约为10mm。无残余应变这一材料特性降低了膜片结构刚度,同时伴有初始弹性模量减小的性质,这些因素均不利于膜片多次翻转。

超高型龙门起重机整体结构稳定性分析与研究

稳定性是衡量各类起重机设计是否能够满足安全生产的一个重要指标。针对目前超高型龙门起重机刚性支腿长细比较大,柔性增加,高耸化日趋明显,梁杆大变形这一非线性因素在现代超大型龙门起重机的整体稳定性计算中没有计入在内的实际情况下,通过考虑几何非线性,按照大变形梁单元的特点并结合弧长法,建立相应的非线性有限元数值模型,编制了相应的通用求解程序,最后按照该型龙门起重机的结构特点及实际产品参数,进行了线性及几何非线性大变形的数值模拟,并对结果进行了比较分析,可为龙门起重机的设计及安全评估提供新的分析依据。

双相钢板料的单向拉伸断裂失效研究(Ⅱ)——弧长法非线性有限元分析

为了获得docol800DP双相钢板料的等效塑性应变和应力三轴度在单向拉伸断裂失效过程中的变化历程,对其拉伸过程进行了弧长法非线性有限元分析。根据试验得到的材料参数建立了双相钢单向拉伸试件的有限元模型,考虑大变形引起的几何非线性和塑性强化引起的材料非线性,模拟了试件拉伸变形的全过程。计算结果表明:弧长法可较好地模拟试件变形的全程,计算得到的典型变形阶段、集中性失稳带的分布及方向与试验结果吻合很好;发生失稳变形时的应变与理论分析结果一致。最后,给出了起裂点处失效参数的变化历程,为定量化研究双相钢材料的断裂失效模型提供准确的数据支持。

采用截面分层及弧长法的钢筋混凝土杆系结构非线性分析

直接从材料应力——应变关系出发 ,采用截面分层有限元结合弧长控制法编制了钢筋混凝土杆系结构非线性有限元全过程分析程序。经与试验校核 ,程序模拟精度较高 ,可供计算分析使用。

复合材料圆柱壳体水下非线性屈曲数值分析

为解决水下复合材料仿真精度低的问题,采用非线性数值分析方法对复合材料圆柱壳体的水下屈曲行为进行研究。通过算例表明了非线性屈曲数值分析与试验结果的吻合性较好,验证了数学模型和计算方法的有效性。对比了铝合金、Carbon/Epoxy、Boron/Epoxy和Glass/Epoxy4种材料圆柱壳体的水下非线性屈曲行为,结果表明纤维的拉伸模量对于圆柱壳体的耐压能力有较大影响,Carbon/Epoxy是水下圆柱壳体比较理想的一种材料,最后分析了矩形、T形和L形肋骨复合材料圆柱壳体的水下非线性屈曲行为,通过分析可知,T形肋骨对于提高圆柱壳体的屈曲压力是最明显的。研究结果对于复合材料在水下的应用及研究有较大的参考价值和指导作用。

采油井架钢结构非线性力学行为分析

本文对采油井架钢结构进行了非线性有限元分析。采用空间梁单元，通过包含单元几何刚度阵和变形刚度阵的增量切线刚度法考虑大变形问题；用杆端集中塑性法来简化材料非线性；采用弧长法迭代计算，最终可得到考虑几何和材料双重非线性情况下，井架钢结构的极限承载力。文中最后给出了A型采油井架的算例。

中国大地坐标系地球旋转椭球子午线弧长的严密精确解

由于椭球子午线弧长经典解存在3个缺陷,在大地测量学上会引入无法接受的误差.根据定积分的换元法,推导以大地纬度为自变量的地球旋转椭球子午线弧长精确解析解.按照2000中国大地坐标系、GRS 80和WGS 84所定义的2个基本椭圆常数(长半轴、短半轴),给出相应3种椭球子午线弧长.以椭圆第一偏心率为自变量,将解析解与文献[2]近似级数解做比较.研究结果表明,当椭圆第一偏心率较大时,文献[2]近似级数解的误差较大.在Matlab R2009b语言中,开发了2套命令文件.解析解为子午线弧长计算的实用化和误差控制提供了理论依据.

荷载非对称分布对组合肋壳稳定性的影响

首先对组合肋壳与其他组合壳体结构形式进行了对比,阐述了组合肋壳这种新型结构的优势.利用非线性有限单元法研究了荷载非对称分布对组合肋壳稳定性的影响,得出了在U.L.描述下的组合单元刚度矩阵,并利用弧长法跟踪结构的荷载-位移曲线.通过在全跨、1/2跨对称、1/2跨不对称、1/4跨四种不同荷载分布作用下,组合肋壳稳定性的全过程跟踪,得到了组合肋壳的失稳形式和最大变形点全过程荷载-位移曲线,发现不同荷载作用下极限荷载不同,1/4跨均布荷载是结构的最不利受力情况,同时计算结果显示组合肋壳结构有较高的后屈曲强度.

基于弧长法的有限元逆算法在板料成形中的应用

有限元逆算法能够预测冲压产品的毛坯展开形状和应变分布。初始解的确定是有限元逆算法的关键问题,它往往会引起单元拓扑关系的变化。经过研究,提出了弧长法,通过计算出最终构形上每个节点到所选取的弧长起始点之间的弧长,能够将产品的最终构形准确的映射到初始平面,并保持每个单元的拓扑关系,所获得初始解能够使有限元逆算法迅速收敛。通过圆盒件和类车门件的应用实例,证明了基于弧长法的有限元逆算法能高效和精确地对板料成形工艺方案进行快速评价。

各向异性中厚度板壳的弹塑性大变形分析

本文提出了一个解各向异性中厚度板壳弹塑性大变形问题的一般有限元方法。几何非线性的描述采用Ｖ．Ｋａｒｍａｎ的位移应变关系；材料的弹塑性分析采用Ｈｉｌｌ推广的Ｈｕｂｅｒ－Ｍｉｓｅｓ屈服准则；借用Ｏｗｅｎ的剪切修正系数，正确计及了叠层复合材料壳体的横向剪切效应。特别是本文利用插值外推的思想，提出了一个带预测的弧长增量控制法，显著提高了计算塑性大变形和后屈曲路径的效率。几个数值算例表明本文给出的有限元方法对于各种各向异性壳体的弹塑性大变形分析有较好的精度。

非线性跟踪分析中弧长算法的改进

在非线性静力结构变形跟踪技术的研究中 ,弧长算法在理论上有较明显的优势 ,但自身存在一些问题。本文中针对这些问题对以下方面做了改进 :1)跟踪方向的判定 ;2 )荷载增量因数的计算与选择 ;3)弧长调节因数的改进。

水下爆炸载荷作用下舰船结构极限强度研究

在对水下爆炸载荷作用下典型舰船结构损伤研究的基础上,分析了塑性变形和各种破口形状尺寸等受损情况下Nishihara箱形梁的极限强度,得出结论:有破口的箱形梁未必比有塑性变形的极限强度小,若中剖面破口长度相等,则破口面积越大极限强度越小。利用NAPA软件建立典型舰船的模型得出设计载荷并导入MSC.Patran划分网格、定义属性并施加载荷与边界条件,运用MSC.Dytran模拟水下爆炸载荷高瞬态非线性分析,通过MSC.Nastran与工程软件MARS对该模型进行极限强度非线性分析对比,提出了一种对真实爆炸损伤状态下的舰船结构极限强度计算方法,证明其运用于结构设计校核极限强度的有效性和安全性。