建筑幕墙风荷载的数值模拟研究

对幕墙结构中风荷载的脉动特性进行了分析,采用沿高度变化的E.Si miu风速谱,用改进的谐波叠加法模拟了不同高度处脉动风速和风压的时程曲线,给出了风荷载的计算公式,结果表明该方法简单有效,且能够反映脉动风的随机特性,解决了玻璃幕墙风荷载的动力计算问题。

凯威特网壳最优网格研究

凯威特网壳的设计参数主要包括跨度、矢高、环向重复区域份数、径向节点圈数和杆件截面尺寸,每类参数的变化都会引起结构内力的重新分配进而改变结构的受力规律;这5类设计参数相互耦合,但应存在一个"最佳组合"使网壳结构的网格尺寸合理、用钢量最省且受力最为合理。对跨度30～90m、矢跨比1/3～1/7,环向重复区域份数6～12,径向节点圈数6～16的数百个单层凯威特型球面网壳模型进行了截面优化设计,以结构用钢量最省为优化目标,优化过程充分考虑了结构强度、刚度和整体稳定性,得出了凯威特型网壳5类主要设计参数的"最佳组合"规律,为工程设计人员提供了有益的参考。

温度传感器动态特性完全补偿方法研究与补偿电路设计

分析了温度传感器动态特性的一阶系统模型和二阶系统模型,指出了其中的二阶系统是非欠阻尼系统、两个系统的阶跃响应有相似性和共同点,进而提出可以将温度传感器动态模型统一简化为一阶系统模型.推导了能够将该一阶系统补偿成理想全通系统的补偿电路传递函数,设计了能实现该传递函数的有源滤波电路,给出了依温度传感器热时间常数设计电路元件参数的公式.指出信号转换电路输出电压与传感器体温度成线性比例关系、补偿电路和信号转换电路有足够宽的通频带,是用硬件实现温度传感器动态特性完全补偿的两个必要条件.

求解弹性力学问题的有理单元法

传统的位移有限元法采用多项式形式的位移试函数,对于边数大于4的多边形单元,构造满足单元间协调性要求的多项式形式位移插值函数是一件困难的工作。本文利用逆距离权插值的思想并考虑到单元节点的分布,建立了边数大于4多边形单元上的有理函数形式的形函数。利用有理试函数,采用Galerkin法推导出求解平面弹性力学问题的有理单元法。采用有理单元法求解弹性力学问题,求解区域根据需要可以划分为任意多边形单元,极大地提高了网格划分的灵活性。有理单元法不依赖等参变换,不同单元的形函数表达形式统一,方便计算程序的编写。

玻璃幕墙结构力学性能试验分析与数值模拟

结合工程实例对玻璃幕墙结构进行了风压变形性能试验研究,建立了风荷载作用下幕墙结构的整体有限元模型,并进行了数值模拟计算。通过对试验与有限元模拟结果的分析比较可以看出,该整体有限元模型主要受力杆件面法线方向最大挠度值的数值模拟结果与实验基本吻合,并在规范规定的容许值范围内。但试验结果在立柱下端节点处呈现明显的非线性变化,数值模拟结果与试验结果差别较大。本文根据弯矩—曲率(M—θ)关系,采用弹性杆来模拟立柱两端梁柱节点处的半刚性状态。数值结果表明,这种半刚性模型比较符合实际情况,计算值与试验值吻合较好,为幕墙结构力学分析提供了一种新的建模方法。

传统建筑风格与现代网壳结构的融合——四坡与双坡坡屋顶折板网壳参数化设计与受力分析

从建筑学角度将传统建筑坡屋顶与现代折板网壳结构相融合,采用ANSYS软件自带APDL语言,提出并研发了两类(六种)坡屋顶折板网壳结构参数化建模方法与结构设计宏程序;用户只需依据建筑风格和特点要求输入坡屋顶折板网壳相关几何参数:东西跨度L、南北跨度W、高度H、正脊长度S、正脊分割份数Kn、垂脊分割份数Nx、翘曲比例b,即可生成所需模型;并对这两类(六种)坡屋顶折板网壳结构进行了随几何参数变化的受力分析。结果表明:该设计程序可将坡屋顶传统建筑风格与现代折板网壳结构设计有效结合,方便地设计出具有传统建筑风格的坡屋顶折板网壳,该类折板网壳结构受力性能随南北跨度W、高度H、正脊长度S呈规律变化。

多边形有限元研究进展

有限元法是数值求解偏微分方程边值问题的重要方法,采用不规则多边形单元网格,可以方便有效地模拟材料的力学性能,又使得区域网格剖分变得灵活方便．特别是对于复杂的几何形状,多边形单元网格具有更大的优势．本文对国内外有关多边形有限元法的最新进展作了初步的总结和评述,主要以基于位移法的多边形有限元为主．论述了多边形有限元的发展历史,给出了多边形单元上的Wachspress插值、Laplace插值和重心坐标的一些最新研究成果．与经典有限元法形函数为多项式形式不同,多边形单元的形函数为有理函数或者无理函数形式．多边形单元插值形函数满足线性完备性,可以再现线性位移场,像经典有限元法一样直接施加本质边界条件;插值函数在多边形的边界上是线性的,确保不同单元间的自动协调．不同单元的插值形函数表达公式形式统一,方便混合单元网格计算的程序编写．提出了多边形有限元法今后需要研究的问题．

一种混合的非线性强化模型M-NH研究

基于Lemaitre and Chaboche非线性随动强化和等向强化理论,提出了一种有效的背应力修正方法,采用Mises屈服准则,建立了复杂加载模式下非线性混合强化材料模型(M-NH)的弹塑性应力应变本构关系,采用高效的Backward Euler切向预测径向返回算法给出应力应变增量的计算,引入最小二乘法根据单轴拉伸实验数据点获得材料的硬化模型参数。为了计算背应力及弹塑性刚度矩阵开发了Fortran程序,编制了M-NH模型的实现代码。针对采用本模型获得的单轴拉伸应力应变曲线,分析了材料相关硬化参数对曲线变化趋势的影响。本模型及Chaboche1991、Basu&Voyiadjis强化模型分别与Chaboche的实验数据对比表明,基于M-NH获得的计算数据与实验结果更为接近。

哥特式建筑风格与现代网壳结构设计的融合——角锥折板网壳参数化设计及形状优化

借鉴哥特式建筑风格和角锥折板网壳特点,采用APDL(ANSYS parametric design language)参数化设计语言,研制了五种不同网格类型的角锥折板网壳参数化设计宏程序,实现了给定跨度S、矢高F、环向对称区域份数Kn和径向节点圈数Nx等参数下,五种类型角锥折板网壳参数化设计。对五种网壳进行了受力性能分析,探究了网壳结构最不利位移、最不利应力随矢高变化规律:并以结构耗钢量为目标函数,以Kn、Nx为设计变量进行了形状优化。建模实例表明该参数化设计宏程序方便、快捷,形状优化设计给出了在跨度、矢高不变时结构耗钢量随网格数变化规律及耗钢量最小的最优网格数。

古亭阁建筑参数化设计与静力性能分析

借鉴中国传统攒尖建筑外形特点,应用APDL参数化设计语言研制了三种不同脊线类型古亭阁参数化设计宏程序,实现了给定结构跨度S、矢高H、棱角数Kn、径向节点圈数Nx和翘曲率b等参数下,三类不同建筑风格古亭阁网壳参数化设计,分析了三类古亭阁在不同结构参数、不同梁端约束时的静力性能。36种设计方案数值模拟结果表明:该种新型建筑结构的位移和应力随宏观几何参数Kn、Nx和约束施加位置及翘曲率b的增加而减小,而约束施加方式的不同对其位移和应力影响并不明显;本研究可为传统建筑风格与现代网壳结构设计相融合提供理论依据。

自由边界问题的重心插值迭代配点法研究

工程中许多问题都可以转化为自由边界问题求解,自由边界问题本质上是非线性问题,而高精度的数值方法是求解自由边界问题的关键。文章基于无网格的重心插值配点法,给定一个自由边界初始假设值,采用重心插值配点法求解微分方程,利用自由边界上的任意一个定界条件构造出确定自由边界位置的Newton法和弦截法2种迭代格式,提出了数值求解自由边值问题的重心插值迭代配点法,并以数值算例进行分析,验证了迭代配点法对于自由边界问题求解的可行性和精确性。结果表明:Newton法的迭代速度较弦截法快,迭代3、4次就可以得到高精度的解;弦截法的计算不受边界条件以及控制方程自身的影响;2种迭代格式的数值计算结果都具有极高的计算精度,其误差精度随节点的增加呈量级提高,可以达到10-11~10-13。

局部双层去顶网壳参数化设计与力学分析

为研究局部双层去顶球面网壳力学性能,进而选出适用于大跨度露天结构的网壳类型,应用ANSYS软件的程序设计语句APDL(ANSYS parametric design language),研制了6类局部双层去顶网壳的参数化模型设计程序,并对6类网壳的静力性能及影响要素做出对比分析。研究结果表明:该模型设计程序简单实用,为结构在不同几何参数下的力学性能分析带来了极大便利;结构几何参数对其力学性能影响较复杂,且网壳最顶圈为结构薄弱部位;联方型在6类网壳中受力性能相对最好,可在大跨度露天结构中优先考虑。

差异进化算法中影响进化过程的参数研究

通过对四个De Jong典型函数最小值问题的数值分析,系统地研究了差异进化算法中变异因子和交叉因子两个关键参数对整个进化过程的影响,为运用差异进化算法进行优化运算时的参数定值提供了参考。

网格形状为等边三角形柱面网壳的研究

提出等边三角型柱面网壳的假设,根据网壳结构的几何特性,推导其网格形状为等边三角形时的条件公式,然后利用ANSYS的参数化编程语言APDL,编制相应的宏程序,实现其参数化建模。最后结合算例进行静定分析,与五种基本型式柱面网壳的静定分析结果比较,验证其假设的合理性。

弦支穹顶结构的研究发展

弦支穹顶作为一种新型复合结构,与单层网壳相比具有良好的受力体系和稳定性,一经提出就得以在工程上的广泛利用。对弦支穹顶体系的研究现状和工程应用进行了分析,并指出了弦支穹顶结构进一步的研究方向。

脉冲激励振动问题的高精度数值分析

利用数值稳定性好、计算精度高的重心Lagrange插值近似未知函数,得到未知函数各阶导数的微分矩阵,提出高精度数值分析任意激励下振动问题的重心插值配点法。采用附加法施加初始条件,得到一个n+2个方程n个未知量的代数方程组。利用最小二乘法求解线性方程组,得到振动位移,进而利用微分矩阵直接求得振动的速度和加速度。对于脉冲激励等复杂激励下的振动问题,将前一个时间区域末的位移和速度作为下一个时间区域的初始条件,分段进行数值分析。数值算例表明重心插值配点法在分析脉冲激励下的振动问题,具有非常高的计算精度。

圆环变形及屈曲的重心插值配点法分析

采用数值稳定性好、计算精度高的重心Lagrange插值近似未知函数,提出数值分析圆环变形和临界载荷的重心插值配点法。给出基于重心Lagrange插值微分矩阵的显式表达式,建立分析圆环在对径外力作用下变形的配点法公式和边界条件施加方法。详细推导均布压力作用下圆环屈曲载荷的计算公式。给出圆环变形和屈曲载荷的数值计算算例。数值算例表明,重心插值配点法不但具有较高的计算精度,而且具有很好的数值稳定性。

数值流形方法的数学推导及其应用

以往的数值流形方法都是以最小势能原理或变分原理为基础来建立求解方程的。但在实际工程中科技人员所遇到的有些实际问题,其控制方程所对应的泛函往往是难以找到的,在这些情况下就无法应用变分方法来建立数值流形方法的求解方程,而必须寻找较为一般的方法来推导数值流形方法的求解方程。因此,研究了如何从加权残数法出发建立数值流形方法的求解方程。在此过程中,通过建立弹性力学方程的数值流形方法,可以看出,通过选取适当的权函数,该方法最终的求解方程将转化为以最小势能原理或以变分原理为基础的离散形式。为了说明方法的有效性,求解了岩石试件中含单裂隙双边受拉的问题,并给出了裂隙尖端的应力强度因子和应力场的变化关系。

奇异源项问题的重心插值数值解

点源热传导问题和集中力作用梁变形问题的数学模型中,源项为奇异的Delta函数.采用数值稳定性好的重心型插值近似未知函数,利用Delta函数与Heaviside函数的导数关系以及Delta函数的积分筛选性,建立求解含有奇异源项问题的重心插值配点法和重心插值Galerkin法.通过数值算例比较两个方法的有效性和计算精度.

极坐标系下弹性问题的重心插值配点法

针对岩土工程中的孔洞及曲梁问题,提出一种在极坐标系下求解二维弹性问题的重心插值配点法。该方法分别在r和θ方向分别布置m和n个节点,生成求解区域上的节点。以一维重心Lagrange插值的张量积插值形式近似二维弹性问题的位移函数,代入位移表达的平衡方程和边界条件,平衡方程和边界条件分别在所有的计算节点和边界节点上精确成立,得到极坐标下弹性力学平衡方程和边界条件的离散代数表达式。利用一维重心Lagrange插值微分矩阵,将离散的平衡方程和边界条件表达为矩阵形式。利用置换法施加边界条件,求得在计算节点处的位移,进而通过微分矩阵直接求得计算节点处的应力。数值算例表明:极坐标下重心插值配点法具有计算格式简单、程序实施容易和计算精度高的特点。