任意截面形状的薄壁杆件弯曲和约束扭转振动的单元动力矩阵分析

本文考虑了任意截面形状薄壁杆件的截面形心和扭转中心并不重合这一事实,指出了薄壁杆件的扭转振动与两个主惯性平面内的弯曲振动是耦合的。并以梁的弹性曲线方程和薄壁杆件约束扭转的静变位曲线方程为形函数,导出了任意截面形状薄壁杆件弯曲和约束扭转振动的单元刚度矩阵和单元一致质量矩阵,     

薄壁空间钢结构的非线性分析

在有限元空间梁元模型的基础上 ,导出了考虑杆件约束扭转的薄壁梁元分析力学模型 .该模型的弹性刚度矩阵为 14× 14矩阵 ,几何刚度矩阵中考虑了轴力、剪力、双向弯矩和双力矩效应 .采用单元的有限分割法考虑了塑性沿杆件长度和截面的发展 ,实现了薄壁空间钢结构的弹塑性非线性分析 .数值算例的比较一方面验证了分析力学模型的正确性 ,另一方面反映了薄壁空间钢结构的约束扭转特性     

含开口薄壁杆的空间结构热屈曲有限元分析

针对含开口薄壁杆件的大型空间柔性结构热屈曲问题,发展了一种包含翘曲自由度的二节点开口薄壁杆单元。该单元考虑了约束扭转与弯扭耦合效应,同时考虑了热应力对几何刚度阵的影响,可进行空间杆系结构的热屈曲分析。简单梁模型算例表明:该方法求得的各阶屈曲温度临界值和屈曲模态与AN SY S薄壳有限元解吻合较好;并且由于考虑了开口薄壁杆的特性,热首先引起杆件的弯扭耦合屈曲。对哈勃太空望远镜太阳帆板的简化模型进行了热屈曲分析,成功地解释了热使该太阳帆板发生扭转屈曲的原因。     

变刚度薄壁杆件的动力稳定性

采用有限单元法，研究无阻尼条件下受轴向周期性动力荷载作用的变刚度薄壁杆件动力稳定问题，承受轴向周期性变化外荷载的薄壁杆件，其非线性几何刚度矩阵随着轴向外荷载的变化而改变。因此，所研究的问题在本质上为变刚薄壁杆件的动力稳定性问题。用有限单元离散变刚度薄壁杆件，通过公式变换，将无阻尼条件下变刚度薄壁杆件的振动方程转化为Mathieu方程，应用Matlab程序设计语言编制程序，确定在轴向周期性动力荷载作用下，变刚度薄壁杆件可能发生的相应于弯曲振动，扭转与翘曲耦合振动的动力不稳定区域，并给出相应的结论。     

开口薄壁杆件约束扭转分析的广义参数有限元

利用样条函数建立开口薄壁杆件约束扭转的整体位移场,利用Ｈｅｒｍｉｔｅ函数建立局部单元位移场．在符拉索夫理论的基础上建立开口薄壁杆件约束扭转的总势能泛函,进而根据变分原理提出了开口薄壁杆件约束扭转计算的广义参数有限元法．     

考虑阻尼的变刚度薄壁杆件动力稳定

采用有限单元法，研究有阻尼条件下，受轴向周期性动力荷载作用的变 刚度薄壁杆件动力稳定问题。承受轴向周期性变化外荷载的薄壁杆件，其非线性几何刚度矩阵随着轴向外荷载的变化而改变，即本质为变刚度薄壁杆件的动力稳定性问题。用有限单元法离散变刚度薄壁杆件，通过公式变换，将有阻尼条件下变刚度薄壁杆件的振动方程，转化为Mathieu方程。同时应用Matlab程序，设计语言编制程序求解。通过算例求得变刚度薄壁杆件可能发生的、相应于弯曲振动、扭转与翘曲耦合振动的动力不稳定区域。指出由于薄壁杆件的动力不稳定区域具有连续的激发区域，阻尼的增加并不能绝对地抑制振幅无限增长。对薄壁杆件的共振，以及动力不稳定的参数激发振动进行分析比较，指出它们表现形式虽然有相似之处，却是完全不同的两种振动形式。提出防止薄壁杆件动力不稳定的发生，比防止薄壁杆件的共振更复杂。在许多情况下，通用的减振和隔振方法，对于参数激发振动的动力不稳定是无效的。     

一种精确的薄壁杆单元

构造了一种新的有4个节点，22个自由度薄壁杆单元，其能考虑杆件的翘曲和剪切变形，能精确描述薄壁杆件的纯状态和非均匀扭转，而且适用于任何剖面（开口，闭口和混合剖面），数值算例表明该单元计算精芳高，可用于薄壁杆件结构的静动力分析。     

样条里兹法计算开口薄壁杆件约束扭转

提出了一类新的样条坐标矩阵。同时在符拉索夫理论的基础上,结合传统的里兹法,利用样条函数提出了开口薄壁杆件约束扭转计算的样条里兹法。     

薄壁杆件组合扭转中约束扭转占比研究

为确定在不同边界条件下薄壁杆件以组合扭转方式抗扭时自由扭转和约束扭转的比例关系,首先,基于Vlasov薄壁结构理论建立组合扭转微分方程,并按照初参数法推导出薄壁杆件在集中扭矩和均布扭矩作用下的约束扭转占比公式。以简支边界为基准,通过引入约束刚度系数β,分析边界条件对于约束扭转占比的影响。然后,使用有限元软件ABAQUS对公式进行验证。最后,给出钢结构桥梁常见截面的约束扭转特征系数κ的计算公式,并统计双工字钢板组合梁桥与钢箱梁桥的κ分布范围。研究结果表明：所推导的约束扭转占比公式与ABAQUS计算结果吻合良好;约束扭转占比与截面的κ和边界条件有关;κ越大,约束扭转占比越小,且随着κ变化,边界条件对于约束扭转占比的影响程度发生变化;β可以表征边界条件对约束扭转占比的影响程度;简化分析时,当0<κ≤0.6时可以忽略自由扭转的影响,仅按约束扭转进行分析,当κ≥40时可以忽略约束扭转的影响,仅按自由扭转进行分析,当0.6<κ<40时需按组合扭转进行分析;所统计的双工字钢板组合梁桥的κ为0.71～1.58,钢箱梁桥的κ>39。     

闭口薄壁杆系约束扭转的有限单元法

本文在乌曼斯基理论的基础上,采用闭口薄壁杆约束扭转微分方程通解为插值函数,导出了单元刚度矩阵,并把它应用于具有弹性介质的闭口薄壁杆和开口薄壁杆,编出了计算程序,在VAX—Ⅱ计算机上作了实例分析。     

曲线薄壁箱梁结构的梁段单元分析

利用能量变分原理,避免约束扭转和畸变初参数法求解的繁琐,考虑曲线梁各项内力和变形的主要耦合关系,推导出考虑曲线薄壁箱梁约束扭转翘曲、畸变和剪滞效应的梁段单元刚度矩阵．并对１座４跨连续钢箱梁进行了实用的结构分析     

钢与混凝土组合梁的扭转及极限分析方法

对钢与混凝土组合梁扭转进行了探讨，提出了以开口薄壁杆件的约束扭转理论为基础的扭转极限分析方法，首先，对组合梁扭转问题进行了讨论，确定其分析方法，将组合梁计算截面进行等效，以便于利用开口薄壁杆件的约束扭转理论对其分析，并示意了等效截面在约束扭转力矩作用下的应力分布情况，提出了组合梁扭转的近似上下限分析方法，其中，前者计算简单，适用于设计，而后者较为繁琐，可作为前者的一个校验标准，最后，通过例题将这2种方法进行了演示。     

有限元法研究闭口薄壁杆件约束扭转

基于乌曼斯基薄壁杆件约束扭转理论,利用刚性周边假定建立了闭口薄壁杆件约束扭转分析的一维离散有限元方法.同时利用ANSYS大型有限元软件作对比研究,分析了薄壁箱型梁的截跨比、截面相对厚度等几何特征参数对箱梁扭转变形的影响,并发现这两个参数的取值上限可以从0.1分别扩大到0.15和0.24.算例显示:一维有限元法不仅保持了很好的计算精度,而且计算模型更加简单、离散未知量大大降低.     

薄壁杆件约束扭转的影响函数表

本文详细地讨论了闭口薄壁截面杆件约束扭转微分方程在三种不同承载情况下的解。这三种承载情况分别为:1.沿杆件长度无荷载,即 m=0;2.承受均布扭转力矩,即 m=常数;3.承受按线性分布的分布扭转力矩,即 m(z)=a+bz。并由此得出结论:在一定条件下,基于初参数法的薄壁杆件约束扭转影响函数表,无论对于开口截面还是闭口截面,可以写成一种统一的形式,以有利于在工程中的实际应用。     

薄壁箱梁约束扭转的有限元分析及弯扭力矩新算法

利用初参数法和传递矩阵,建立了薄壁箱梁约束扭转分析的有限元列式,导出了均布扭矩和均布双力矩的非结点荷载的等效公式.基于约束扭转的有限元位移解,进一步建立了弯扭力矩新算法,导出相应的刚度矩阵、均布扭矩和均布双力矩作用下的固端力公式,方便正应力和剪应力的计算.算例表明,本文的计算结果与理论值完全符合,所建立的薄壁箱梁约束扭转有限元列式、均布扭矩和均布双力矩的非结点荷载等效公式、弯扭力矩新算法公式正确.     

薄壁杆件的有限元分析法

阐述了薄壁杆件理论的发展及经典的薄壁约束扭转理论的不足,对应用十分广泛且基于势能驻值原理的一种数值解法——有限元理论进行了进一步的研究,提出薄壁空间杆件单元中每个节点应增加一项表征截面翘曲的位移分量,即截面的翘曲角,以计及截面翘曲的影响。指出有限元法完善了薄壁杆件理论,对实际工程的结构设计有一定的参考价值。     

一种考虑杆件初始弯曲的非线性杆单元

在假定杆件初始弯曲为半波正弦曲线的基础上,提出考虑初始弯曲的非线性杆单元,推导了轴力与轴向变形的关系和轴向切线刚度的表达式,得到了初始弯曲对轴向刚度的影响系数.分析表明,初始弯曲影响与刚度比、初始弯曲幅值、轴力大小以及杆单元长度有关.结合某索拱结构工程实例,研究不同初始预应力取值下,杆件初始弯曲对结构非线性稳定性能的影响程度和影响规律,结果表明:杆件初始弯曲对结构屈曲前的整体刚度影响很小,但对结构的极限荷载与屈曲后性能影响较大;初始预应力取值的增加对结构的位移控制非常有效,但是对结构的刚度影响却很小;在不同初始预应力取值下,极限荷载随杆件初始弯曲变化的规律相似,并且都接近于线性.非线性杆单元能够广泛应用于桁架结构和网格结构的设计与分析,在考虑杆件初始弯曲后,将使结构的设计与分析更加合理、更加科学.     

轴力二次效应对梁单元的耦合影响

在6个自由度有限梁元基础上,采用单一系数将轴力二次效应对梁单元的影响引入到梁的分析刚度矩阵中,并考虑到梁单元约束扭转时不可避免发生翘曲作用,增加了翘曲角自由度,建立了即能用于通常梁,更能适用于薄壁梁单元的7个自由度的单元分析统一模型,同时将轴向力、弯矩和双力矩的贡献引入到几何刚度矩阵中,得出了综合考虑轴向拉压、弯曲、扭转以及轴力二次效应和翘曲及其耦合影响的变形状态刚度矩阵.线性和非线性算例均表明轴力二次效应对细长构件结构内力和位移的影响不能忽视.     

考虑流固耦合的大型渡槽横向动力分析

渡槽槽身是一种薄壁构件,在建立其动力分析模型时除应考虑渡槽槽身横向、竖向、纵向以及自由扭转变形外,还应考虑渡槽薄壁结构约束扭转变形以及槽内有水时水体对槽身的流-固动力相互作用.为此,依据符拉索夫及豪斯纳尔理论建立了考虑槽内水体与槽身动力相互作用的渡槽薄壁结构横向动力分析模型,由能量变分原理推导给出渡槽薄壁梁段单元刚度矩阵及质量矩阵表达式,通过数值算例验证了该模型的正确性;利用该模型对某大型渡槽进行了多种工况的频率计算,计算结果表明该大型渡槽在无水和设计水位时,其振动频率有所变化.该模型计算简单,是考虑渡槽槽内水体横向流-固动力相互作用的实用动力分析模型.     

预应力混凝土箱梁桥偏载系数的 数值分析与试验

基于薄壁箱梁约束扭转的广义位移概念、板梁框架法原理,以约束扭转微分方程、畸变微分方程齐次解为单元插值函数,运用能量变分原理,以递推矩阵法推导箱梁约束扭转单元、箱梁畸变单元刚度矩阵,考虑了悬臂板、箱梁顶板变厚度的影响.用Fortran语言编写了箱梁弯曲、约束扭转与畸变单元的计算程序.基于原型桥制造了1∶4大比例的预应力混凝土连续箱梁模型,开展了偏心荷载作用下的受力特性试验研究.试验实测偏载系数与程序计算结果一致,同时计算了5座预应力混凝土箱梁桥的偏载系数.试验研究和数值分析表明:目前设计工程师所使用剪应力偏载系数严重偏小,在设计阶段留下腹板主拉应力超限甚至开裂的隐患.