基于有限元的空间变截面梁传递矩阵

采用有限元法来推导了空间变截面梁单元的传递矩阵。在推导空间变截面梁单元的刚度矩阵时,在位移列阵中增加了一项位移值:轴向拉压应变,以提高位移插值函数的阶数。并采用高次多项式位移插值函数来推导空间变截面梁单元的刚度矩阵,然后通过矩阵变换得到该梁的传递矩阵。将得到的传递矩阵应用于悬臂梁,计算了悬臂梁的挠度和模态。研究结果表明:该方法可精确计算空间变截面梁的变形,并为联合有限元法和多体系统传递矩阵法求解复杂系统动力学问题提供一个新思路。     

2节点6自由度直梁单元

利用构造形函数的方法,得到了2节点6自由度直梁单元形函数表达式,运用变分原理,对梁单元的总势能进行变分导出梁单元的刚度矩阵和节点荷载列阵.以集中荷载作用下的Winkler基础梁为例,分别用2节点4自由度和2节点6自由度梁单元的有限元法计算了梁中点的位移和截面弯矩,计算结果表明:在相同精度的条件下,用2节点6自由度梁单元的有限元法有利于提高计算效率.图4,表1,参12.     

基于刚度矩阵的空间变截面梁简化问题

为研究机床的静刚度特性,需要得到其各部件的单元刚度矩阵.机床部件的结构往往是不规则的,因此需要将其等效简化为等截面梁单元,才能得到其单元刚度矩阵.该文对任意变截面梁等效简化为等截面梁单元的问题进行了研究,从建立梁单元的单元刚度矩阵的需要出发,推导出了完整的简化方法.为了验证该简化方法的有效性,利用有限元分析软件ABAQUS 6.51对一个力学模型进行了分析,同时用上述的简化方法对该力学模型进行了计算.将两者的计算结果进行对比,相对偏差小于5%,因此可证明该简化方法在变截面梁等效简化为等截面梁单元时的有效性.     

底部钻具组合三维静力分析的新方法

利用二阶埃尔米特插值函数空间梁单元的结点自由度由６个扩充到８个,使井眼曲线的二阶导数连续,提高了计算精度。在１６自由度梁单元形函数矩阵和应变分析的基础上,推导了１６自由度梁单元的线弹性刚度矩阵、线弹性几何刚度矩阵和单元结点等效载荷列阵。     

单向平动微位移工作台的静刚度分析

文章根据梁单元有限元法,把柔性铰链视为变截面梁单元,建立了柔性铰链的单元刚度矩阵;在此基础上,建立了单向平动微位移工作台的有限元计算模型,得到了微位移工作台的位移输出特性;同时,选取不同的柔性铰链参数,用有限元分析软件对微位移工作台进行分析计算并与理论计算进行比较,结果表明2种方法计算的结果相吻合,验证了理论模型的正确...     

底部钻具组合三维静力分析的新方法

利用二阶埃尔米特插值函数把空间梁单元的结点自由度由６个扩充到８个,使井眼曲线的二阶导数连续,提高了计算精度。在１６自由度梁单元形函数矩阵和应变分析的基础上,推导了１６自由度梁单元的线弹性刚度矩阵、线弹性几何刚度矩阵和单元结点等效载荷列阵。考虑轴向力的非线性影响,应用该方法对底部钻具组合的钻头侧向力进行了线性分析。计算结果表明,考虑二阶导数的影响,可以提高计算精度。     

强震作用下变截面超高桥墩竖向时滞分析的传递矩阵法

为探讨变截面超高桥墩竖向时滞效应,根据经典梁理论,构造典型杆件单元状态向量的传递关系,利用达朗贝尔原理,推导集中质量模型节点状态向量的递推公式,建立等效阶形变截面单元的传递矩阵法。结合结构在时域内振动波动传播的离散时间序列性,推导建立变截面单元状态向量在离散时间序列的传递关系,提出研究变截面超高桥墩竖向时滞效应分析的传递矩阵法。研究结果表明:采用传递矩阵法计算的变截面超高扁桥墩地震响应结果与有限差分法计算结果基本吻合;对比桥墩中点及桥墩顶节的起振时刻,得到该两点振动时滞为0.07 s,表明传递矩阵法能够有效计算分析变截面超高桥墩在强震作用下的竖向时滞。传递矩阵法计算结果正确、算法可行,可用于指导变截面超高桥墩结构的动力分析和设计。     

框架结构稳定分析的多参数空间梁单元

引入跨中竖向位移，采用多参数确定空间单元位移函数，并用子结构法消去竖向位移参数，推导空间梁单元几何刚度矩阵及考虑跨中竖向位移后的固端力增量。本法对空间框架进行稳定分析，计算量没有增加，精度却有较大提高。     

三维纤维梁单元增量非线性有限元分析

以三维连续体介质力学和虚位移原理为基础,推导了增量更新拉格朗日(UL)列式,此列式中保留了大位移增量刚度矩阵项,并对此刚度矩阵进行修正使其成为对称矩阵.根据增量UL列式,推导出小应变、大位移、大转动三维纤维梁刚度矩阵.该梁单元的刚度矩阵考虑了复合材料非线性、大位移、大转动高度几何非线性.该单元采用平截面假定,忽略剪切变形的影响,以轴线节点的位移表示截面上任意一点位移.根据以上理论编制了分析程序,通过对几个算例分析,证明该方法的精确性、通用性.     

基于Hillinger-Reissner变分的混合单元的开发与应用

基于Hellinger-Reissner变分建立了一种用于几何和材料非线性分析的混合单元,采用位移形函数和考虑二阶效应的内力形函数对截面位移和截面内力进行插值,建立混合控制微分方程;通过静力凝聚消除单元节点力未知量得到单元刚度矩阵和单元内力.单元状态确定过程中,截面层次的平衡方程和单元层次的协调方程均通过引入非线性迭代算法以消除残余误差,从而减少结构层次的迭代次数.混合单元结合纤维截面模型用于钢管混凝土(CFST)构件的数值分析,结果表明:相对于刚度法和柔度法单元,基于Hellinger-Reissner变分的混合单元可以更加准确地反映构件的几何和材料非线性,非线性迭代算法用于单元状态确定具有良好的计算效率和数值稳定性.在此基础上对影响CFST构件几何非线性的主要参数进行了分析.     

样条有限点法分析旋转变截面Euler梁弯曲自由振动问题

基于Euler-Bernoulli梁理论,采用样条有限点法建立旋转变截面梁弯曲振动分析新模型.通过沿梁轴线均匀布置一定数量的样条节点对变截面梁样条离散化,采用三次B样条函数对变截面梁的位移场进行插值.考虑截面尺寸变化和旋转离心刚化效应的影响,基于Hamilton原理推导出旋转变截面梁计算模型的总刚度和总质量矩阵表达式,编制程序对旋转变截面梁动力特性进行分析,并建立ANSYS有限元模型进行比较验证.结果表明:本文解答与文献和有限元解答吻合良好,本文模型具有计算精度好、建模效率高、边界条件简单和程序编制方便的优点,可适用于不同边界约束、截面变化率、截面变化类型、旋转角速度和轮毂半径条件下的旋转变截面梁的弯曲自由振动问题.参数分析表明截面变化率和旋转角速度对旋转变截面梁动力特性有重要影响.     

Sobolev方程的半离散混合有限元法

对Sobolev方程采用混合有限元法进行数值模拟，给出了相应的半离散格式及其误差估计，构造了几组简单的低阶元.与已有文献中的有限元方法相比，该方法所采用的变分形式较简单，计算量较小，精度较高.通过对单元刚度矩阵的分析，得出在一维和二维情形下通量函数选取某些不同模式得到的关于位移的单元刚度矩阵等同     

空间直梁传递矩阵的物理意义推导法

基于传递矩阵中各元素的物理意义,采用单元基本计算体系,利用平衡条件和虚功原理推导了考虑弯矩、剪切和轴力影响的空间弹性直梁在无外荷载及各种外荷载作用下的传递矩阵,并针对实例,对所推导公式进行编程运算,得到示例桥梁关键截面的内力。将计算结果与有限元法计算结果进行比较,二者吻合良好,表明推导方法可行。该方法避免了初参数法的繁琐,概念清晰,求解简便,并可以应用到其他结构在不同荷载情况下传递矩阵的推导。     

基于绝对节点坐标法变截面柔性梁运动稳定性研究

基于绝对节点坐标法,考虑变截面梁单元的几何边界特征,利用非线性介质力学方法推导其刚度矩阵,进而建立柔性梁结构动力学方程.基于梁结构运动过程中状态空间方程和Lyapunov理论,提出变截面柔性梁结构运动及稳定性判定方法,研究了材料属性与变截面对梁结构空间运动过程中稳定性的影响.结果表明:当材料弹性模量较小时,变截面梁的稳定性略优于等截面梁;当材料的弹性模量增大,等截面梁单元稳定性大大增加,而变截面梁单元所受影响甚微;当弹性模量的增加达到一定值后,等截面梁的运动也趋于稳定.     

四结点等参数弯管单元

本文采用一种新的、有效的四结点等参数弯管单元,用有限元法分析弯头的应力与变形。首先,对这种单元进行了线性分析,提供了不考虑截面椭圆度和考虑截面椭圆度两种情况的位移模式,异出了这两种情况的应变位移矩阵。其次,对这种单元进行几何非线性分析及材料非线性分析,推导出了几何非线性的应变位移矩阵和切线刚度矩阵、材料非线性的弹塑性矩阵和塑性区的刚度矩阵。     

Laplace变换——有限元法计算结构动响应

利用Laplace变换 ,采用与静弹性相比拟的方法 ,导出了频域中有限元法公式。并利用一组满足频域中弹性运动方程的通解作为单元的位移函数 ,获得了频域中矩形单元的刚度矩阵。作为实例对梁的动响应进行了计算。     

变截面箱形梁畸变分析的刚度法

利用箱形梁的畸变微分方程和弹性地基梁挠曲微分方程之间的比拟关系 ,推导出变截面箱形梁畸变分析的单元刚度矩阵 ,该单元刚度矩阵与一般杆系结构的单元刚度矩阵完全相似 ,使得箱形梁桥畸变分析可按一般杆系结构的刚度法进行 .     

水泥土复合式支护结构的综合刚度矩阵法

提出一种综合刚度矩阵来描述水泥土墙-钻孔灌注桩复合支护结构的抗弯性能.在平面梁单元理论的基础上,通过引入新的自由度——混凝土桩与水泥土体摩擦力作用距离,并结合平截面假定和单桩剪切位移法,建立了垂直和水平两个方向上的位移函数,推导了复合式支护结构的综合刚度矩阵.根据最小势能原理,推导时增加了对水泥土墙和内插灌注桩之间的摩擦做功以及混凝土桩拉伸弹性势能的考虑.通过工程实例进行验证,结果表明该方法可行且计算结果与监测数据吻合较好.     

Laplace变换——有限元法计算结构动响应

利用Laplace变换，采用与静弹性相比拟的方法，导出了频域中有限元法公式。并利用一组满足频域中弹性运动方程的通解作为单元的位移函数，获得了频域中矩形单元的刚度矩阵。作为实例对梁的动响应进行了计算。     

碳纤维布加固混凝土框架静力非线性分析

从Euler梁控制微分方程出发,采用力插值函数和五结点Cotes积分推导了五区段变刚度梁单元刚度矩阵;通过比较分析,选择合适的混凝土应力-应变模型以模拟横向纤维箍对混凝土的约束效应,采用带下降段的四折线型弯矩-曲率本构模型并对其下降段刚度作了合理修正,分析了单元的刚度状态及状态转换。对试验框架进行的数值模拟表明,分析结果与试验结果吻合良好。