ELASTIC EFFECT IN DYNAMIC RESPONSE OF PLASTIC CANTILEVER BEAMS TO IMPACT

A lumped masses-springs model is proposed to analyze the dynamic response of an elastic-plastic cantilever beam resulting from impact. The numerical results are in good agreement with those by finite-element approaches. The simplified model can catch the most essential features of elastic-plastic response of beams; in particular, it demonstrates the effect of elastic deformation on the distribution of bending moment and energy dissipation, and provides valuable quatitative results.

ANOMALOUS BEHAVIOR REVISITED:DYNAMIC RESPONSE OF ELASTIC-PLASTIC STRUCTURES

Based on the minimum principle of acceleration in the elastic-plastic continua under finite def ormation, the dynamic response of an elastic-perfectly plastic pin-ended beam subjected to rectangular impulse loading is studied with the help of a numerical approach. The calculated results once again show the anomalous behavior of the beam during its response process, which was previously found in [1]. By carefully analyzing the instantaneous distribution of the bending moment, the membrane force, the curvature and displacement during the response process, it is concluded that the interactive effect between the geometry and materials nonlinearities of the structure is the key reason for leading to the anomalous behavior. This will be helpful for clarifying some misunderstandings in explaining the problem before.

结构刚塑性动力解的弹性补偿

近年来,我国学者以膜力因子法和饱和分析方法相结合为理论工具,对梁、板等结构件在脉冲载荷作用下的塑性大变形行为作了全面深入的研究,为脉冲加载下结构的最终挠度提供了优于历史上各种刚塑性近似解的最佳刚塑性预测公式。然而,由于实际工程应用中金属结构弹塑性动力响应的复杂性和数值模拟的局限性,与考虑材料弹性效应的结果相比,刚塑性解对脉冲加载下结构所预测的最终挠度的误差有多大,是一个亟待解决的关键问题。对这个问题的首阶段研究成果厘清了材料弹性对脉冲加载下结构塑性动态大变形的影响,定量评估了由最佳刚塑性理论解与弹塑性数值模拟得到的最终挠度预测结果之间的差异。在此基础上,提出了补偿弹性效应的策略和方法,即:在已有的最佳刚塑性解预测的挠度基础上添加一个补偿项,将补偿项表达为脉冲载荷强度的效应与结构自身刚度的效应分离的变量函数,并尽量减少待定系数/指数的数量,以求表达式的简洁;根据这些原则在金属结构的主要工程应用领域内选定结构刚度和外载参数的变化范围,对固支梁和固支方板的案例实施拟合与补偿,最后得到了对梁和板增添补偿项后的简单而实用的最终挠度预测公式,其相对误差在3%的范围之内,很适合工程设计应用。文末列表给出了符号与公式的一览,并对梁和方板的结果作了综合和比较。

相似结构动力响应的外推方法及精度特性

提出了大位移、大转动、大变形、弹塑性相似结构动力响应显式有限元分析结果的外推方法并分析了其精度特性。以 Ｂｕｃｋｉｎｇｈａｍ Ｐｉ定理为基础，运用量纲矩阵法，导出了动态大位移大转角弹塑性相似结构的相似关系。根据有限元法分块近似的基本思想及显式有限元法的积分格式，分析了外推法的精度特性。算例表明，本文方法切实可行。

柔性动边界梁的弹塑性动力响应分析

实际工程中的梁结构并不是采用理想的刚性支承,而通常具有柔性动边界。该文建立了柔性动边界梁的计算模型,模型考虑了梁端有弹性支承、阻尼支承以及刚性块等情况,并利用有限差分方法对运动方程进行离散,研究分析了在动载作用下柔性动边界梁的弹塑性动力响应。研究表明:动边界对梁的变形和受力有很大的影响,与刚性支承相比,竖向弹性支承能够降低梁的振动频率,并且使梁的内力和相对位移幅值减小,从而提高结构的抗力,但提高抗力的效果与载荷作用时间的长短以及振动衰减的程度相关。

砰击载荷作用下板结构动力响应的参数分析

对板结构在砰击这一瞬态载荷作用下的动力响应进行参数分析 .在进行动力响应计算时 ,考虑材料的弹塑性 .分析的参数有 :压力峰值、附加质量、结构刚度、载荷作用时间和连续砰击次数 .通过有限元方法进行分析 ,为船舶设计提供有用的建议 .

爆炸载荷下矩形板弹塑性动态响应研究

舰船结构在受到高强度爆炸载荷作用时的破坏形式主要是板架的塑性大变形和撕裂。对四边约束矩形板在爆炸冲击波载荷下的塑性大变形响应进行了理论分析和试验研究。基于板的大挠度变形理论和能量守恒原理,建立了矩形板在爆炸载荷作用下发生塑性大变形的弹塑性分析方法。将理论计算与试验及数值计算进行对比,表明弹塑性分析方法有较好的计算精度和适用性。可用于计算舰船局部结构对舱内爆炸冲击波的响应,为舰船的抗爆设计提供理论依据。

弹塑性结构水下爆炸相似律研究

为实现将缩比模型在遭受水下爆炸冲击波载荷作用时的动响应特性结果推广到预测原型结构,根据相似理论,讨论了水下爆炸冲击波载荷相似率,并推导了弹塑性结构遭受水下爆炸冲击波载荷作用时的完全几何相似律。以典型舰船板架结构为研究对象,设计若干数值算例,结果表明缩比模型与原型结构之间的能量、运动响应和应力响应吻合较好,说明满足该相似率的缩比模型能够准确预测原型结构遭受水下爆炸冲击波载荷作用时的动响应特性,验证了该相似律的实用性。

边界约束对梁抗爆动力响应的影响(Ⅰ)–理论研究及分析

边界约束的差异会直接影响结构的抗爆动力响应及承载能力,建立了复杂约束条件下抗爆梁在弹性阶段和塑性阶段的解析计算方法,并计算分析了竖向弹性与阻尼约束、水平约束刚度、抗弯约束、荷载形式以及屈服弯矩动力强化系数对动力响应的影响。计算表明:竖向弹性与阻尼约束会引起附加惯性力,能够明显降低结构在弹塑性阶段的位移动力系数。水平约束和抗弯约束影响结构的动态响应主要在塑性阶段,水平约束使梁截面在变形过程中产生横向压力,抗弯约束直接限制刚体转动,均有效降低了梁位移动力系数,相对提高结构的承载力。相同约束刚度和荷载峰值条件下,平台荷载下结构的位移动力函数均高于三角形荷载下位移动力函数,说明动荷载的作用时间越长,对结构承载越不利。另外考虑屈服弯矩的动力增强系数时,可提高结构的抗爆潜力。

多点地震下大跨展览馆动力弹塑性分析

为研究大跨空间展览馆在多点地震激励下的弹塑性反应和抗震性能,利用SAP2000软件建立结构的有限元模型,采用TJU.SAP2ABAQUS接口程序转化为相应的ABAQUS模型,经模态分析验证了转化前后模型的一致性.分别考虑单向和三向地震输入,对该结构进行了地震一致和多点激励下的动力弹塑性分析.结果表明:单向多点地震激励下,柱底内力、剪力墙应力以及结构顶部位移均较一致激励时增大;三向多点激励下,结构柱底内力和剪力墙的应力较单向多点激励时有增有减,结构顶部位移增大;多点激励对结构两侧柱底内力的影响显著,对中部柱底内力的影响较小.

钢管混凝土拱肋滞回性能非线性有限元分析

考虑钢管混凝土中钢材与拉压区混凝土的非线性本构关系,引入几何非线性的影响,采用考虑截面特性的空间组合梁单元,建立钢管混凝土构件非线性有限元模型。首先对试验构件进行计算,与试验结果吻合较好,然后深入研究钢管混凝土拱肋竖向弯矩-曲率、纵桥向荷载-位移以及横桥向荷载-位移滞回关系,从中看出钢管混凝土拱肋具有良好的延性和吸能性质,并得出拱肋滞回性能的各种影响因素。

大型渡槽结构非线性地震响应分析

运用渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型,开展了渡槽非线性地震响应分析计算。该渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型集渡槽薄壁结构线弹性模型和非线性多弹簧模型为一体,应用多弹簧等效关系模拟结构塑性铰区的非线性滞回特性。经结构线弹性和非线性地震响应比较,结果表明两者存在差异,开展大型渡槽结构非线性地震响应分析是很有必要的。

波纹纤维混凝土的动力耗散研究

根据曲线纤维的几何特点和受力性能 ,推导了波纹纤维混凝土的本构关系 。

堤坝砂土地基液化的数值模拟

基于足立 -岗循环弹塑性模型和固液两相介质耦合的有效应力反应分析方法 ,数值模拟分析了模型试验中的堤坝及其砂土地基 ,揭示了幅值为 0 .1 g和 0 .2 g正弦波动荷载下堤坝的动力反应过程 ,并与振动模型试验的结果进行了比较分析。结果表明 ,该反应分析方法能够合理求得土体中孔隙水压力、有效应力。

某教学楼单跨框架结构的屈曲约束支撑加固抗震分析

某四层教学楼的钢筋混凝土框架为单跨框架结构,在不同方案比较后决定对其采用屈曲约束支撑加固。使用分析软件采用反应谱法、静力弹塑性和动力弹塑性法对加固前后的结构进行了抗震性能的计算分析。反应谱法分析可知采用支撑加固后的结构抗侧刚度增大,周期减小,层间位移减小;静力弹塑性法分析显示加固后结构中屈曲约束支撑先于梁柱构件失效,结构冗余度增加;动力弹塑性法分析显示加固后结构在罕遇地震作用下,支撑进入塑性工作状态,显示出良好的滞回性能,消耗了地震能量,结构基底剪力显著减小。

复杂形体超高钢结构电视塔抗震性能分析研究

宁夏超高钢结构电视塔结构高度216m,桅杆长度104m。建筑体型为底部小、上部大、中部略呈细腰形且设计有三段楼层共计28层的花瓶状形体。楼层不连续分布导致结构质量和侧向刚度沿竖向分布不均匀,结构几何形式复杂,对抗震要求高。首先,使用ANSYS分析研究结构的动力特性。同时,针对结构固有频率,将ANSYS和SAP2000计算结果进行了比较。结果表明,结构的扭转效应明显,第三和第八阶振型是以扭转为主的振型,结构扭平周期比满足我国规范要求,但数值偏高。接着,分别采用振型分解反应谱法和动力时程法计算多遇地震作用下结构的多维弹性地震响应。数值结果表明,动力时程分析能够更清晰地反映结构桅杆的鞭稍效应。因此,在评估此类复杂形体建筑的抗震性能时,应综合评定反应谱和时程法的计算结果。多维地震作用下结构的变形指标符合国家现行相关规范要求。最后,对结构进行了8度(0.2g)、8度(0.3g)和9度三种设防烈度罕遇地震作用下结构的弹塑性动力时程分析,以检查结构变形指标与塑性发展情况。结果表明,结构变形指标符合国家现行相关规范要求,结构的最危险部位在中部楼层段(细腰段)。因此,结构满足"小震不坏,中震可修,大震不倒"的抗震设防要求。通过大量计算分析与比较,综合出了许多有益的结论与建议,为该实际工程或类似工程的抗震设计提供参考依据。此外,计算分析方法对于应用有限元软件计算复杂几何结构具有借鉴价值。

粘弹性边界梁在低速冲击下的动力响应分析

实际工程中的梁结构通常具有粘弹性边界,这些约束表现为弹性和阻尼特征。建立了具有粘弹性边界梁的力学模型,该模型综合考虑弹性和阻尼支承、集中质量块以及支承不对称等情况,根据冲击局部区域的接触力-侵入深度关系式并利用拉格朗日方法建立了横向冲击下粘弹性边界梁的动力方程,并通过与简支梁在相同冲击条件下冲击力和横向位移的对比分析,说明了粘弹性支承对结构动力响应的影响。研究表明,粘弹性边界梁的横向位移比简支梁要小,而且位移到达峰值时的时间有所增加,从而提高结构的抗力。

受冲击作用弹塑性圆板动力响应的弹性效应

利用有限差分离散微分方程进行计算分析,研究冲击载荷作用下弹塑性圆板的早期动力响应,通过对瞬态径向弯矩分布规律的细致分析,阐明弹塑性固支圆板响应过程中弹性效应对其变形历史的影响.研究表明:弹塑性响应过程可划分为八个阶段,对应的变形模式为:“单铰圆模式”,“双铰圆模式”,“五铰圆模式”,“四铰圆模式”,“三铰圆模式”,“双铰圆模式”,“双驻定铰圆模式”,“弹性振动模式”.与刚塑性分析所假定的三相的变形模式比较,弹塑性响应分析证实了固支边界“驻定塑性铰圆”的存在性.虽然刚塑性分析所假定的第一相位移响应模式并不存在,但第二相和第三相响应模式则得到了证实.由于这两相及相应弹塑性分析的两个阶段持续时间都较长,因而也肯定了刚塑性分析所假定变形模式的主要特征.弹性效应对于板内“移行铰圆”的影响比较大,它不但使“移行铰圆”出现“回退”现象,还使得“移行铰圆”的个数增加到三个;对于圆心处的“塑性铰圆”,弹性效应则使得它的符号出现由负向到正向的反复变化.因此,弹性效应对弹塑性板的变形历史影响十分明显.

强脉冲载荷作用下弹-塑性薄圆板的大挠度动力响应

利用有限变形弹塑性连续体的最小加速度原理 ,建立了分析圆板动力响应问题的数值方法 ,并通过对均匀分布的脉冲载荷作用下铰支圆板位移响应的细致分析 ,探讨了响应过程中的饱和冲量现象 ,指出对于高载范围内的脉冲载荷 ,相应于最大变形的饱和冲量确实是存在的。结果还表明 ,虽然圆板的弹塑性动力分析非常复杂 ,但基于最小加速度原理的数值计算方法却具有简单、直接的优点。

爆炸冲击荷载作用下弹性支撑梁弹塑性动力响应的解析分析

用静力修正法和虚功原理,推导出了爆炸冲击荷载作用下,弹性支撑梁弹塑性动力响应的解析表达式。其中:第一阶、二阶振型的影响用振型叠加法计算,其他高阶振型的影响用拟静力法计算。分析了爆炸冲击持续时间和弹性系数对梁动力响应的影响。结果表明:当冲击持续时间小于简支梁1/2自振周期时,可看作短时荷载,与刚性支撑相比,弹性支撑可有效降低梁跨中截面弯矩和相对位移,从而提高梁的抗爆承载力,且弹性系数越小,减振效果越好,但会引起较大端部位移;当持续时间大于简支梁1/2自振周期时,可看作长时荷载,在冲击作用阶段弹性支撑能够起到减振作用,但在残余振动阶段,若弹性系数选取不当,会使梁跨中截面弯矩增大,出现振动反弹,反而会降低梁的抗爆承载力,此时宜加设阻尼支撑。