基于UL列式的带刚臂平面杆元非线性分析

为了解决平面杆元在相交处可能存在的刚性连接问题，根据带刚臂平面杆元在受力后的运动和变形特点，基于UL法，推导出两端带任意刚臂的平面杆元的切线刚度矩阵．利用该研究成果编制了程序，对无刚臂和有刚臂的平面杆结构进行几何非线性分析．计算结果证明了这种非线性单元列式的正确性和非线性求解过程的收敛性．     

带刚臂的平面抛物线索元精细几何非线性分析

为解决应用抛物线索元进行索结构几何非线性分析时锚固点的刚性连接问题,在参考已有研究的基础上,进行了带刚臂的平面抛物线索元研究。将锚固点的刚性连接视为刚臂,根据受力后刚臂两端节点力之间和位移之间全量和增量的关系,利用微分方法导出两端带任意刚臂的平面抛物线索元切线刚度矩阵显式表达式;同时给出了考虑温度变化的节点力计算方法,提供了详细的计算步骤;编制了相应的几何非线性计算程序,对经典大垂度单索、带刚臂的平面桁架和索梁混合结构进行了几何非线性分析。研究结果表明:相对于已有文献方法,该算法具有同样的计算精度,且在计算效率及求解问题的非线性程度上有较大的优势,为索结构进行几何非线性精细分析提供了有力工具。     

大转动三角形平面单元有限元分析的共旋坐标法

基于能显著减小单刚计算量的场一致性原则,遵循标准的共旋坐标法,导出了三角形平面单元在大转动、小应变条件下的单元切线刚度矩阵.利用这一非对称的单元切线刚度矩阵编制程序,运用该程序对悬臂端作用有集中力的平面悬臂梁进行了计算.计算结果表明,所提出的单元切线刚度矩阵列式正确,该单元刚度矩阵虽然不对称,但计算较简单.这在非线性计算中对于减小由于计算机位数限制带来的累积舍入误差和提高迭代的收敛性具有重要意义.     

带刚臂空间梁单元及其在斜拉桥计算中的应用

按推导带刚臂平面梁单元的单元刚度矩阵的思路,推导出了带刚臂空间梁单元的单元刚度矩阵。这种单元形式应用于大型复杂结构的空间分析中,既能显著减少单元结点数量,又能较好地模拟实际结构受力状态,能给计算带来很大方便。     

空间过渡梁元的切线刚度矩阵

详细推导了整体拉朗日（Total Iagrange)坐标系下空间过渡梁元的切线刚度矩阵和单元抗力计算式。计算表明,过渡梁元切线刚度矩阵的, 使局部单层局部双层网壳的计算结果更趋近于实际。     

带铰平面梁元几何非线性有限元分析

针对梁端带铰的平面梁元几何非线性分析研究较少的情况,通过局部坐标系（随转坐标系）下的即时单元刚度矩阵,再基于结构坐标系与局部坐标系下杆端力及节点位移的总量关系及微分获得的增量关系,获得平面梁单元在大位移、小应变条件下的几何非线性单元切线刚度矩阵。研究结果表明：将局部坐标系下的刚度矩阵建立在即时构形的参数上,更能反映状态变量的变化,在此基础上根据带铰梁端弯矩为0的受力特征,导出了能考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式;通过对带铰的算例进行几何非线性分析,验证了所提出的表达式具有较强的实用价值。     

考虑索端刚臂的斜拉桥空间拉索非线性分析

为解决斜拉桥空间拉索在塔和梁上锚固点的刚性连接计算问题,在基于微分法导出考虑垂度效应的非线性空间杆元切线刚度矩阵的基础上,根据索端刚臂在受力后只有刚体运动而本身不变形的特点,将刚臂视为空间矢量,利用空间矢量有限转动公式及微分方法,导出了结构坐标系下刚臂两端的位移之间和杆端力之间的总量及增量关系.最终获得两端带任意刚臂的斜拉索空间杆元切线刚度矩阵表达式,编制了相应的斜拉桥几何非线性有限元计算程序,对经典桁架算例、带刚臂的三杆空间桁架和施工阶段的斜拉桥进行了空间几何非线性分析.计算结果表明:本文方法能解决斜拉桥空间拉索在塔和梁上锚固点的刚性连接计算问题,为斜拉桥进行几何非线性精细分析提供有力工具.     

用四边形平面应力单元进行平面梁的几何非线性分析

采用共旋坐标法导出了四边形平面应力单元在大转动、小应变条件下的几何非线性单元切线刚度矩阵,在此基础上编制了相应的有限元程序.为了验证其正确性,用在悬臂端作用有集中力的平面悬臂梁来进行校核.计算结果表明,随着单元网格的加密,计算值越来越趋近于解析值,且计算值对单元形状的改变不是很敏感.由此说明所推导的四方形平面应力单元在大转动、小应变条件下的几何非线性单元切线刚度矩阵是正确的,在类似问题的分析中有一定的参考价值.     

带刚臂和弹性段的平面组合索单元

为在斜拉桥的有限元模型中高效地模拟斜拉索,建立了带刚臂和弹性段的平面组合索单元.两个刚臂位于单元的端部,单元的节点分别与塔柱和主梁上的对应节点固接.索的钢套筒部分视为弹性段,中间索段视为弹性悬链线,弹性段的内力沿接点处弹性悬链线的切线方向.首先利用弹性悬链线的解析解建立了索体的投影方程和刚度矩阵;利用刚臂两端位移转换关系,对组合单元的节点力微分,得到了组合索单元的刚度矩阵.算例分析证明了公式推导及编程的正确性.     

网壳结构节点体对其承载性能的影响

提出用大位移带刚臂杆元来考虑节点大小对网壳结构承协性能的影响，推导出大位移带刚臂元的影响矩阵，修正了Ｃ．Ｏｒａｎ的梁一柱单元切线刚度矩阵，并对类似的支座节点体进行了同样的推导修正，通过对网壳结构算例的分析计算，证明了文中理论的正确可靠。     

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.     

钢筋混凝土梁单元双非线性分析的共旋坐标法

针对已有的钢筋混凝土梁单元非线性分析模型采用较多的假定和近似从而导致计算量增大及计算精度下降的问题,基于共旋坐标法建立了考虑材料和几何非线性的任意截面钢筋混凝土梁的数值分析模型.首先利用虚功原理计算共旋坐标系下完全粘结钢筋混凝土梁考虑材料非线性的切线刚度矩阵,再通过结构坐标系与共旋坐标系下节点力之间及节点位移之间的总量关系及微分导出的增量关系,最终获得钢筋混凝土梁在结构坐标系中考虑几何与材料双重非线性的切线刚度矩阵．算例结果表明,本文算法可减少计算量、不累积误差、精度高.     

基于共转法U.L.列式三节点壳元几何非线性有限元分析

以三维连续介质力学和虚功原理为基础,推导出增量U.L.有限元列式,该列式保留了大位移增量刚度矩阵项,通过对该刚度矩阵进行修正可使之成为对称矩阵.根据该增量U.L.列式,文中采用三边形的形函数推导了三维三节点壳元的切线刚度矩阵,并考虑了横向剪切应力的影响.在求解增量方程时,采用CR(Co-rotational)法,将刚体位移从节点位移增量中扣除,得到节点纯变形增量,利用小应变理论计算单元内力.编制了非线性有限元程序,通过算例进行了几何非线性分析,验证该理论的精确性、高效性和通用性.     

基于精确解析解的索单元

完善了基于悬索精确解析解的两节点平面索单元，包括带节间集中力的索单元、两端带刚臂的索单元．从理论上推导了空间索单元的平面外刚度系数，并通过坐标转换矩阵将空间索单元统一到平面索单元上，也可考虑在组合均布荷载作用下的索单元．这种索单元可用于悬索桥、斜拉桥等结构的非线性有限元分析中．通过两个算例的计算表明，该方法是精确有效的．     

用共旋坐标有限元法分析高层建筑框架结构的二阶效应

虽然分析平面框架二次效应的方法早在20世纪80年代就已提出,但其中许多工作过分复杂或简单,值得改进.采用共旋坐标法准确地导出了平面梁单元发生大转动小应变时的单元切线刚度矩阵,并利用该单元切线刚度矩阵的列式和Newton-Raphson迭代法开发了1个FORTRAN程序NPFSAP,从而获得了高层框架结构二阶效应的高精度数值解,由此发现高层建筑的二次效应与水平荷载的关系不明显,但建筑物刚度越小,竖向荷载越大,建筑物层数越多,二次效应越明显.提出了1个高层框架中柱二次效应的计算公式,为工程设计人员提供了准确计算框架弯矩的办法.     

Stability Analysis of Spatial Cubic Spline Geometric Nonlinear Beam Element Considering the Second-Order Effect

To analyze the stability problem of spatial beam structure more accurately,a spatial cubic spline geometric nonlinear beam element was proposed considering the second-order effect.The deformation field was built with cubic spline function,and its curvature degree of freedom (DOF) was eliminated by static condensation method.Then we got the geometric nonlinear stiffness matrix of the new spatial two-node Euler-Bernoulli beam element.Several examples proved calculation accuracy of the critical load by meshing a bar to one element using the method of this paper was equivalent to mesh a bar to 3 or 4 traditional nonlinear beam elements.     

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.