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Systematic Elastostatic Stiffness Model of Over-Constrained Parallel Manipulators Without Additional Constraint Equations
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作者 Chao Yang Wenyong Yu +2 位作者 Wei Ye Qiaohong Chen Fengli Huang 《Chinese Journal of Mechanical Engineering》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第4期258-276,共19页
The establishment of an elastostatic stiffness model for over constrained parallel manipulators(PMs),particularly those with over constrained subclosed loops,poses a challenge while ensuring numerical stability.This s... The establishment of an elastostatic stiffness model for over constrained parallel manipulators(PMs),particularly those with over constrained subclosed loops,poses a challenge while ensuring numerical stability.This study addresses this issue by proposing a systematic elastostatic stiffness model based on matrix structural analysis(MSA)and independent displacement coordinates(IDCs)extraction techniques.To begin,the closed-loop PM is transformed into an open-loop PM by eliminating constraints.A subassembly element is then introduced,which considers the flexibility of both rods and joints.This approach helps circumvent the numerical instability typically encountered with traditional constraint equations.The IDCs and analytical constraint equations of nodes constrained by various joints are summarized in the appendix,utilizing multipoint constraint theory and singularity analysis,all unified within a single coordinate frame.Subsequently,the open-loop mechanism is efficiently closed by referencing the constraint equations presented in the appendix,alongside its elastostatic model.The proposed method proves to be both modeling and computationally efficient due to the comprehensive summary of the constraint equations in the Appendix,eliminating the need for additional equations.An example utilizing an over constrained subclosed loops demonstrate the application of the proposed method.In conclusion,the model proposed in this study enriches the theory of elastostatic stiffness modeling of PMs and provides an effective solution for stiffness modeling challenges they present. 展开更多
关键词 Parallel manipulator Elastostatic stiffness model matrix structural analysis Subassembly element Independent displacement coordinates
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A CATENARY ELEMENT FOR THE ANALYSIS OF CABLE STRUCTURES
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作者 彭卫 孙炳楠 唐锦春 《Applied Mathematics and Mechanics(English Edition)》 SCIE EI 1999年第5期70-72,共3页
Based on analytical equations, a cat ena ry element is presented for the finite element analysis of cable structures. Com pared with usually used element(3_node element, 5_node element), a program with the proposed e... Based on analytical equations, a cat ena ry element is presented for the finite element analysis of cable structures. Com pared with usually used element(3_node element, 5_node element), a program with the proposed element is of less computer time and better accuracy. 展开更多
关键词 cable structures catenary elements tangent stiffness matrix
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GEOMETRICALLY NONLINEAR FE FORMULATIONS FOR THE MACRO-ELEMENT UNIPLET OF FOLDABLE STRUCTURES
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作者 陈务军 付功义 +1 位作者 何艳丽 董石麟 《Journal of Shanghai Jiaotong university(Science)》 EI 2002年第2期137-143,共7页
Geometrically nonlinear stiffness matrix due to large displacement small strain was firstly formulated explicitly for the basic components of pantographic foldable structures,namely, the uniplet, derived from a three ... Geometrically nonlinear stiffness matrix due to large displacement small strain was firstly formulated explicitly for the basic components of pantographic foldable structures,namely, the uniplet, derived from a three node beam element.The formulation of the uniplet stiffness matrix is based on the precise nonlinear finite element theory and the displacement harmonized and internal force constraints are applied directly to the deformation modes of the three node beam element. The formulations were derived in general form, and can be simplified for particular foldable structures, such as flat, cylindrical and spherical structures.Finally, two examples were presented to illustrate the applications of the stiffness matrix evolved. 展开更多
关键词 nonlinear FINITE element (NFE) stiffness matrix FORMULATION uniplet p-structure
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GEOMETRICALLY NONLINEAR FINITE ELEMENT MODEL OF SPATIAL THIN-WALLED BEAMS WITH GENERAL OPEN CROSS SECTION 被引量:11
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作者 Xiaofeng Wang Qingshan Yang 《Acta Mechanica Solida Sinica》 SCIE EI 2009年第1期64-72,共9页
Based on the theory of Timoshenko and thin-walled beams, a new finite element model of spatial thin-walled beams with general open cross sections is presented in the paper, in which several factors are included such a... Based on the theory of Timoshenko and thin-walled beams, a new finite element model of spatial thin-walled beams with general open cross sections is presented in the paper, in which several factors are included such as lateral shear deformation, warp generated by nonuni- form torsion and second-order shear stress, coupling of flexure and torsion, and large displacement with small strain. With an additional internal node in the element, the element stiffness matrix is deduced by incremental virtual work in updated Lagrangian (UL) formulation. Numerical examples demonstrate that the presented model well describes the geometrically nonlinear property of spatial thin-walled beams. 展开更多
关键词 spatial beams thin-walled structures geometrically nonlinear finite element stiffness matrix
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Time-varying stiffness analysis of double-row tapered roller bearing based on the mapping structure of bearing stiffness matrix
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作者 Di Yang Xi Wang 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第11期89-100,共12页
Time-varying stiffness is one of the most important dynamic characteristics of rolling element bearings.The method of analyzing the elements in the bearing stiffness matrix is usually adopted to investigate the charac... Time-varying stiffness is one of the most important dynamic characteristics of rolling element bearings.The method of analyzing the elements in the bearing stiffness matrix is usually adopted to investigate the characteristics of bearing stiffness.Linear mapping structure of the bearing stiffness matrix is helpful to understand the varying compliance excitation and its influence on vibration transmission.In this study,a method to analyze the mapping structure of bearing stiffness matrix is proposed based on the singular value decomposition of block matrices in the stiffness matrix.Not only does this method have the advantages of coordinate transformation independence and unit independence,but also the analysis procedure involved is geometrically intuitive.The time-varying stiffness matrix of double-row tapered bearing is calculated and analyzed using the proposed method under two representative load cases.The principal stiffnesses and principal axes defined in the method together indicate the dominant and insignificant stiffness properties with the corresponding directions,and the vibration transmission properties are also revealed.Besides,the coupling behaviors between different shaft motions are found during the analysis of mapping structure.The mechanism of the generation of varying compliance excitation is also revealed. 展开更多
关键词 Rolling element bearing Time-varying stiffness matrix Mapping structure Vibration transmission Varying compliance excitation
原文传递
基于Feon-Abaqus的杆梁混合结构的有限元分析与应用
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作者 李邦彦 肖映雄 《湘潭大学学报(自然科学版)》 CAS 2024年第3期1-12,共12页
由于不同类型单元的结合处其结点自由度不一致,在杆梁混合结构的内力分析过程中整体刚度矩阵的集成存在效率较低、存储空间较大等问题.Feon框架采用的集成方式在运算速度和存储经济性等方面仍存在改进空间,且Feon目前仅能处理线性情形.A... 由于不同类型单元的结合处其结点自由度不一致,在杆梁混合结构的内力分析过程中整体刚度矩阵的集成存在效率较低、存储空间较大等问题.Feon框架采用的集成方式在运算速度和存储经济性等方面仍存在改进空间,且Feon目前仅能处理线性情形.Abaqus虽能处理各种非线性问题,但缺少针对混合结构的参数化建模解决方法.将Feon与Abaqus进行结合,可以为杆梁混合结构的线性及非线性有限元分析提供更为有效的方法.该文首先改进Feon中整体刚度矩阵的集成方法,新方法显著减小了计算中的过渡矩阵和最终刚度矩阵规模,提高了处理速度和存储经济性.其次基于对Feon框架的改进,提供了在Python平台上直接对杆梁混合结构进行有限元分析的方法,将处理范围由线性拓展到非线性,并编写了相应的Feon-Abaqus转换程序,提供了Abaqus处理混合结构参数化建模解决方法.最后通过算例验证了改进方法在确保计算精度的同时能提高计算速度,验证了基于Feon-Abaqus在杆梁混合结构线性和非线性分析中的有效性. 展开更多
关键词 混合结构 有限元分析 刚度矩阵 Feon-Abaqus实现 数值模拟
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一种用于锚杆支护数值模拟的单元处理方法 被引量:26
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作者 蔡永昌 朱合华 李晓军 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2003年第7期1137-1140,共4页
结合三角形、四边形等实体单元的位移插值函数和一维轴力杆单元的刚度矩阵,推导出了一种用于锚杆支护数值模拟的单元列式,可以在地下结构有限元计算中的任何开挖步自由地加设或拆除锚杆,而且,不必在划分初始计算网格时,事先考虑或预留... 结合三角形、四边形等实体单元的位移插值函数和一维轴力杆单元的刚度矩阵,推导出了一种用于锚杆支护数值模拟的单元列式,可以在地下结构有限元计算中的任何开挖步自由地加设或拆除锚杆,而且,不必在划分初始计算网格时,事先考虑或预留锚杆的结点位置,大大地简化了有限元的前处理或网格划分过程。 展开更多
关键词 锚杆 支护 数值模拟 有限元法 刚度矩阵 地下结构
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三维杆系结构的几何非线性有限元分析 被引量:36
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作者 吴庆雄 陈宝春 韦建刚 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2007年第12期19-24,42,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 杆系结构 有限元 三维梁单元 几何非线性 坐标转换矩阵 刚度矩阵
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静水压力作用的水下结构振动及声辐射 被引量:27
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作者 纪刚 张纬康 周其斗 《中国造船》 EI CSCD 北大核心 2006年第3期37-44,共8页
采用有限元/边界元方法开发了静水压力作用的水下结构振动与声辐射的计算程序。依据不同分析域的特点,对结构域和流体内域采用有限元方法,对流体外域采用边界元方法。分析了流体-结构相似特性,使通过对常规结构有限元分析程序中的参数... 采用有限元/边界元方法开发了静水压力作用的水下结构振动与声辐射的计算程序。依据不同分析域的特点,对结构域和流体内域采用有限元方法,对流体外域采用边界元方法。分析了流体-结构相似特性,使通过对常规结构有限元分析程序中的参数作合理设置,使之能直接用于内域流体声学有限元分析。流体外域采用边界元方法,选取合适的格林函数,能够考虑无穷远和自由液面边界条件。流体对结构的作用表现附加质量和附加阻尼。采用FORTRAN代码计算外域流体附加质量和附加阻尼矩阵,采用结构有限元分析程序对结构和内域流体作有限元分析,采用DM AP代码将附加质量和附加阻尼同结构质量矩阵和阻尼矩阵相叠加,实现了流固耦合计算。通过几何刚度矩阵对结构刚度矩阵修正来考虑静水压力对结构声辐射的影响。 展开更多
关键词 船舶 舰船工程 有限元 边界元 静水压力 几何刚度矩阵 声辐射 结构噪声
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柔性节点预制混凝土结构的动力反应 被引量:18
10
作者 赵斌 刘学剑 吕西林 《同济大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第6期716-721,共6页
采用端部带转动弹簧的梁单元力学模型,对柔性节点预制混凝土框架结构的动力学特性及其在地震作用下的动力反应规律进行了系统研究.结果表明:结构自振频率随着节点相对刚度比的增加不断增大,当节点相对刚度比在0.1~10之间变化时,结构自... 采用端部带转动弹簧的梁单元力学模型,对柔性节点预制混凝土框架结构的动力学特性及其在地震作用下的动力反应规律进行了系统研究.结果表明:结构自振频率随着节点相对刚度比的增加不断增大,当节点相对刚度比在0.1~10之间变化时,结构自振频率的变化十分明显.结构峰值位移反应随着节点相对刚度比的增加呈总体下降趋势,但下降趋势和程度受输入地震波能量分布特征的影响,并可能局部增大.随着节点相对刚度比的增加,结构在地震作用下的峰值加速度反应受输入地震波能量分布特征的控制,分布规律非常复杂.在工程中,应根据结构可能遭受的地震作用的能量分布特征,通过结构动力分析,确定节点的最优相对刚度比,以减小结构的动力反应. 展开更多
关键词 预制混凝土结构 有限元分析 柔性节点 节点相对刚度比
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钢筋混凝土空间单元研究 被引量:4
11
作者 黄荣杰 杜太生 宋天霞 《华中科技大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2002年第5期78-80,共3页
在钢筋混凝土平面单元研究的基础上 ,对目前已有的钢筋混凝土空间有限元模型进行了研究分析 ,指出了这些模型存在的问题 ;同时 ,分别针对 y向、x ,y向及多层配有钢筋的空间六面体单元 ,建立了较符合结构实际和材料力学性态的钢筋混凝土... 在钢筋混凝土平面单元研究的基础上 ,对目前已有的钢筋混凝土空间有限元模型进行了研究分析 ,指出了这些模型存在的问题 ;同时 ,分别针对 y向、x ,y向及多层配有钢筋的空间六面体单元 ,建立了较符合结构实际和材料力学性态的钢筋混凝土有限元模型 。 展开更多
关键词 钢筋混凝土 有限元 单元模型 单元刚度矩阵
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施工阶段内力与变位叠加法及其应用 被引量:11
12
作者 卓新 董石麟 《浙江大学学报(工学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2003年第5期556-559,共4页
把使用阶段的结构作为受力计算对象是目前空间结构设计的常规做法,结果使得结构的最终内力、变位等与施工方法及其施工过程无关,这不符合工程实际,而传统的有限元法并没有提供能解决该问题的相应公式.提出的施工阶段内力与变位叠加法,... 把使用阶段的结构作为受力计算对象是目前空间结构设计的常规做法,结果使得结构的最终内力、变位等与施工方法及其施工过程无关,这不符合工程实际,而传统的有限元法并没有提供能解决该问题的相应公式.提出的施工阶段内力与变位叠加法,对传统有限元法作了改进,使计算结果符合空间结构施工的实际工况,同时该计算方法还能全过程跟踪分析结构在施工各阶段以及施工完毕时的内力、节点变位和支座反力.以一座采用移动支架法施工的柱面网壳为例,用该方法计算并通过数据比较说明了常规设计方法误差存在的程度和原因,指出了空间结构设计考虑施工方法及其过程的重要性. 展开更多
关键词 空间结构 施工方法 施工过程 有限元法 施工阶段内力与变位叠加法 结构设计
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考虑纵横弯曲的空间杆系有限元计算 被引量:5
13
作者 刘文华 付志一 杨庆山 《中国安全科学学报》 CAS CSCD 2004年第12期62-66,共5页
在普通刚架有限元计算模型的基础上 ,推导出了考虑空间纵横弯曲有限元的单元刚度矩阵和形函数 ,单元刚度矩阵和形函数考虑了轴力的影响。并以此编制了“kjgj”有限元软件 ,软件考虑了轴力引起的二阶效应。用平面和空间算例进行验证 ,单... 在普通刚架有限元计算模型的基础上 ,推导出了考虑空间纵横弯曲有限元的单元刚度矩阵和形函数 ,单元刚度矩阵和形函数考虑了轴力的影响。并以此编制了“kjgj”有限元软件 ,软件考虑了轴力引起的二阶效应。用平面和空间算例进行验证 ,单根杆件只剖分一个单元计算得到的精度可以达到商业软件剖分多个单元达到的精度。 展开更多
关键词 单元刚度矩阵 轴力 空间杆系 刚架 二阶效应 杆件 形函数 纵横弯曲 剖分 推导
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地震作用下空间网架结构考虑损伤累积效应的弹塑性分析 被引量:19
14
作者 丁阳 郭峰 李忠献 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2005年第1期54-58,共5页
考虑钢材的损伤累积效应和应变强化效应,应用塑性应变和能量耗损理论建立了钢材的损伤力学模型;在此模型基础上,推导了网架结构考虑损伤累积效应的单元弹塑性刚度矩阵和结构动力平衡微分方程,编制了相应的有限元分析计算程序,并对一空... 考虑钢材的损伤累积效应和应变强化效应,应用塑性应变和能量耗损理论建立了钢材的损伤力学模型;在此模型基础上,推导了网架结构考虑损伤累积效应的单元弹塑性刚度矩阵和结构动力平衡微分方程,编制了相应的有限元分析计算程序,并对一空间网架结构算例进行了数值仿真分析。结果表明,考虑损伤累积效应对空间网架结构的弹塑性地震反应有着显著的影响,其中有损伤杆件的应力减小、应变增大;无损伤杆件的应力、应变均增大;在不同方向组合地震的作用下,考虑与不考虑损伤累积效应,网架结构的内力和变形趋势相同;不同的地震作用,考虑损伤累积效应时对网架结构的内力和变形的影响也较大。 展开更多
关键词 空间网架结构 地震作用 弹塑性分析 损伤累积 塑性应变 能量损耗
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索穹顶结构有限元分析及试验研究 被引量:16
15
作者 袁行飞 董石麟 《浙江大学学报(工学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2004年第5期586-592,共7页
针对索穹顶结构的受力性能,采用二节点直线杆单元和新型二节点曲线索单元建立了索穹顶结构混合有限元计算模型,对是否考虑拉索自重垂度进行了比较分析.通过对一直径为5m的肋环型索穹顶模型的实验研究,得到在不同荷载情况下结构的内力和... 针对索穹顶结构的受力性能,采用二节点直线杆单元和新型二节点曲线索单元建立了索穹顶结构混合有限元计算模型,对是否考虑拉索自重垂度进行了比较分析.通过对一直径为5m的肋环型索穹顶模型的实验研究,得到在不同荷载情况下结构的内力和变形规律.实验结果表明,材料下料长度的确定和符合计算模型的节点设计是实际工程设计中的关键问题.实验结果说明了此有限元模型具有较好的精度. 展开更多
关键词 索穹顶结构 张拉整体 几何非线性 二节点曲线索单元
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斜腹杆体外预应力杆-索结构刚度矩阵可逆性分析 被引量:3
16
作者 宋彧 谢阳 宋武 《兰州理工大学学报》 CAS 北大核心 2015年第3期128-134,共7页
根据线性代数理论,证明斜腹杆体外预应力杆-索结构刚度矩阵K的可逆性.把较为复杂的K的可逆性问题转换为简单矩阵的可逆性问题;对简单矩阵的行列式进行腹杆数分别为奇数和偶数两种条件下的恒等变形,得到由腹杆、索的方向角所确定的行列式... 根据线性代数理论,证明斜腹杆体外预应力杆-索结构刚度矩阵K的可逆性.把较为复杂的K的可逆性问题转换为简单矩阵的可逆性问题;对简单矩阵的行列式进行腹杆数分别为奇数和偶数两种条件下的恒等变形,得到由腹杆、索的方向角所确定的行列式.结果表明,当腹杆倾斜布置时行列式非0;当某一腹杆垂直布置时,对未定式通过洛比达法则求极限,其行列式也非0,即K的可逆性与腹杆、索的布置方向无关.杆-索结构刚度矩阵可逆性的证明为伸缩腹杆体外预应力加固技术在控制索应力的设计方面奠定了数学基础. 展开更多
关键词 结构加固 体外预应力 杆-索结构 刚度矩阵 可逆性
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桩-土-结构相互作用地震反应分析 被引量:15
17
作者 曹晓岩 李晓莉 +1 位作者 李立新 杨杨 《世界地震工程》 CSCD 2004年第1期90-94,共5页
从桩-土-结构在地震作用下的受力分析出发,考虑平面应变假设,用有限元法(FEM)建立相互作用系统的模型。文中用地震动反演法处理土层的动力放大现象,用读入刚度单元来处理不同类型单元交界处的连续问题。最后,结合实际工程进行相互作用... 从桩-土-结构在地震作用下的受力分析出发,考虑平面应变假设,用有限元法(FEM)建立相互作用系统的模型。文中用地震动反演法处理土层的动力放大现象,用读入刚度单元来处理不同类型单元交界处的连续问题。最后,结合实际工程进行相互作用体系的地震反应计算,得出了一些有用的结论。 展开更多
关键词 桩-土-结构 地震作用 受力分析 有限元法 FEM 地震动反演法
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计及二阶效应的一种变截面梁精确单元刚度阵 被引量:17
18
作者 陆念力 张宏生 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2008年第12期60-64,78,共6页
推导一种精确的Bernoulli-Euler变截面梁单元,解决了传统变截面梁单元在结构稳定性分析中存在的计算精度较低的问题,以常见的外形沿轴向按线性变化的变截面梁为例,给出梁单元的精确刚度阵。放弃传统有限元通过插值理论构建变形场,并通... 推导一种精确的Bernoulli-Euler变截面梁单元,解决了传统变截面梁单元在结构稳定性分析中存在的计算精度较低的问题,以常见的外形沿轴向按线性变化的变截面梁为例,给出梁单元的精确刚度阵。放弃传统有限元通过插值理论构建变形场,并通过虚位移原理获取单元刚度阵的方法,直接从计入二阶效应的单元平衡微分方程中得到变截面梁的载荷位移关系,进而得到有限元格式的变截面梁精确刚度阵。借助于变截面梁单元刚度阵,可导致与精确的微分方程解析法同样的计算精度。通过与几个经典算例和ANSYS计算结果比较表明:该精确刚度阵可直接应用于结构稳定性分析,获得变截面梁结构精确的欧拉临界力。 展开更多
关键词 有限单元法 结构稳定性分析 变截面Bernoulli-Euler梁 二阶效应 精确单元刚度阵
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空间梁单元的几何非线性刚度矩阵的分解形式 被引量:12
19
作者 刘光栋 王解君 何放龙 《湖南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 1992年第1期60-71,共12页
本文在三维空间坐标系统下,根据最小势能原理,从梁的非线性几何方程出发,详细导出了空间梁单元的几何非线性刚度矩阵.其中包括线性刚度矩阵、大位移矩阵及初应力矩阵,并把大位移矩阵分解为四个子矩阵,将初应力矩阵分解为十二个子矩阵.
关键词 非线性结构 刚度矩阵 梁单元
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单一连续墙的平面非线性有限元分析 被引量:7
20
作者 万文 曹平 高文华 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第10期1766-1771,共6页
单一连续墙是目前广州地铁工程中大力推荐的一种基坑围护结构,与圆形人工挖孔桩作围护结构相比,它具有许多结构上的优点。采用了带转动自由度的Goodman单元,对其进行平面非线性有限元模拟计算,以广州地铁二宫站单一连续墙车站基坑为例,... 单一连续墙是目前广州地铁工程中大力推荐的一种基坑围护结构,与圆形人工挖孔桩作围护结构相比,它具有许多结构上的优点。采用了带转动自由度的Goodman单元,对其进行平面非线性有限元模拟计算,以广州地铁二宫站单一连续墙车站基坑为例,分析了该围护结构的水平位移和弯矩分布及周围土体的沉降、塑性区和应力分布情况等,并与实测值进行对比,结果表明计算值与实测值吻合很好,说明该模型是合理的。 展开更多
关键词 岩土工程 单一连续墙 围护结构 非线性有限元 Goodman单元
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