基于OpenSees的子结构拟动力试验方法研究

研究了以有限元软件OpenSees为核心计算平台的子结构拟动力试验方法,主要探讨了在OpenSees中实现子结构反应量实时查询、子结构边界条件处理,以及利用OpenSees的通信协议实现试验子结构和整体结构时程分析程序之间位移指令和反馈力的数据交换方法.利用本文方法进行了8层防屈曲支撑高层钢框架的虚拟子结构拟动力试验,试验结果与采用OpenSees进行整体时程分析的结果吻合良好,证明了本文子结构拟动力试验方法的可行性与有效性.     

扩展有限元中边界条件的施加

扩展有限元施加边界条件的方法与有限元不同,但尚无文献进行详细的说明.本文由有限元的控制方程和边界条件的基本格式出发,说明了扩展有限元施加应力和位移边界的原理,以单个带裂缝单元为例给出了Standard-XFEM和Shifted-XFEM模式下扩展有限元施加边界条件的具体实现过程.最终,通过一个受均布荷载的简支梁验证了本文介绍方法的正确性.结果表明:对于应力边界,应由最小位能原理导出的公式计算等效结点荷载,不同位移模式下,由外部荷载计算等效结点荷载的公式相同,但得到的结点荷载向量不同.位移边界则应将不同的位移模式在约束处所满足的方程带入控制方程求解.虽然均采用上述原理施加边界条件,但采用不同位移模式时,实现边界条件的具体方法不尽相同.     

在国产计算机上进行高层建筑结构静力与动力分析研究

鉴于内存及外部设备的限制，一般在现有国产计算机上进行大量未知数的高层建 筑结构静力与动力分析是困难的。本文采用了以下力学模型处理和程序技巧［ｌ，２］， 较好地克服了上述困难： （１）多层子结构模式装配和多种荷载模式组合； （２）节点位移的主从关系及相应位移规格数的概念，并在多层子结构自动拼装 中实现了多级位移规格数的传递与修改； （３）采用子结构刚度阵静力凝聚及动力程序和静力程序的“接力”方案，传递 先后计算信息； （４）引入等价膜概念，采用简单而又较精确的计算模型． 工程实例计算表明，上述处理是有效的。从而对现有国产计算机适应日益迫切的 高层建筑结构设计起了推动作用。     

机器人操作机弹性动力学分析新方法

本文给出将机器人操作机划分成传动系统，刚性化杆件和弹性杆件３种不同类型的子结构，按相邻子结构间位移协调矩阵组装出操作机系统的弹性动力学方程进行ＫＥＤ仿真分析的新方法。实例分析表明：该方法计算量小、考虑因素多。为操作机设计提供了一种有效的仿真分析手段。     

约束子结构法的一种改进

在动态分析中利用有限单元法,常常会导致大规模的矩阵,通常利用子结构的模态综合来减缩矩阵的阶数.本文提出一种新的方法,以减缩约束子结构模态综合中的连接坐标.基于相继缩聚,在Craig方程中的对接结点位移即可逐次消去.因而这种方法克服了经典减缩中所存在的缺点,可连续使用约束子结构法,直至最后一级系统的连接坐标维数被减缩到容许的规模为止.数值计算结果表明,本文改进的减缩方法是有效的.     

子结构拟动力试验边界条件模拟方法

针对框架结构体系研究了基于有限元软件OpenSEES的子结构拟动力试验方法.以单层单跨钢框架为例进行了3种不同边界条件模拟方案下的子结构拟动力试验,其中严格边界条件下的试验结果与整体结构时程分析结果完全吻合,表明了该方法的正确性.在此基础上,针对单层、5层与8层3个四跨钢筋混凝土框架,采用杆系模型进行3种不同边界条件模拟方案下的子结构拟动力试验.试验结果表明,仅考虑水平位移边界条件时对试验子结构柱的滞回曲线模拟误差较大,同时考虑水平位移与转角边界条件则能很好地模拟试验子结构柱的滞回曲线.各种简化边界条件对基底剪力影响较小,而对底层水平位移的影响则基本可以忽略.研究结果可以为子结构拟动力试验方案设计提供参考.     

无侧移半刚性连接钢框架柱的计算长度系数

根据梁柱理论建立半刚性连接梁柱的转角位移方程，在梁端弯矩中考虑半刚性特性，再将横梁对柱的约束弯矩按柱的线刚度之比分配给柱。计算模型采用三柱模型，应用位移法建立无侧移半刚性连接钢框架柱计算长度系数的公式。该计算公式的形式回归到刚性钢框架柱计算长度系数公式，其计算长度系数表与刚性框架柱计算长度系数完全相同，使用方便。     

基于区域分解的组合结构振动分析方法

提出了一种分析一般边界条件下组合结构动力学特性的区域分解法.首先,沿组合结构连接处和位移边界而将组合结构分解成若干自由子结构,并将子结构分解为一些规则子域,以获取组合结构的高阶振动特性;采用分区广义变分和最小二乘加权残值法将子域界面的位移协调方程引入组合结构的能量泛函中,以使组合结构的动力分析问题归结为在满足分区界面位移协调条件下的无约束泛函变分问题.同时,采用区域分解法分析了不同边界条件的圆锥壳 环肋骨圆柱壳 圆锥壳组合结构的动力学特性,通过与有限元软件ANSYS的相应结果进行对比,验证了其计算精度和稳定性.结果表明,所提出的区域分解法具有高效率、高精度和良好收敛性等优点.     

高层筒体结构分析的样条子结构—综合离散法

吸取样条函数子结构法和综合离散法的优点,形成了高层筒体结构动力特性分析的新方法:样条子结构—综合离散法。推导了正交各向异性的4结点平面应力单元,还对独立柱子结构提出了处理方法。对于结点位移模式,沿子结构的纵向采用3次B样条函数,沿周向采用3次不等距样条函数。根据动势能驻值原理,建立以广义位移为未知量的筒体结构平扭耦连自由振动方程。计算中结构自由度数目与水平位移函数的项数在关,而与结构的层数无关。本文方法概念明晰,精确度高,计算工作量少。算例结果表明,本文结果与实验结果吻合良好。     

LBM中基于半程反弹的统一边界条件研究

格子Boltzmann方法能够有效地模拟复杂流场的流体流动,边界处理方法的选择对于模拟结果的可靠与否起着至关重要的作用。本文基于半程反弹原理对插值格式的曲线边界条件进行改进,提出一种统一的曲线边界处理新方法,并与格子Boltzmann模拟中常用的几种曲线边界条件做了对比研究。模拟结果显示该方法的计算结果与理论解精确吻合。该方法提高了复杂边界的计算精度和数值稳定性,同时满足质量守恒约束,解决了曲线边界条件中常见的质量流失问题。     

弯剪型-弯曲型双重抗侧力结构体系水平位移的解析解

对中高层弯剪型-弯曲型双重抗侧力结构体系的水平位移计算方法进行了研究.将弯曲型子结构视为仅发生弯曲变形的悬臂墙,将弯剪型子结构视为同时发生弯曲变形和剪切变形的Timoshenko悬臂墙,在此基础上建立了弯剪型-弯曲型双重抗侧力结构体系的位移微分方程,结合边界条件,推导了均布荷载等三种荷载下结构的弯曲变形、剪切变形和总水平位移的解析解.探讨了弯剪型-弯曲型双重结构与剪切形-弯曲形双重结构位移计算方法的关系.结果表明,剪切形-弯曲形双重结构可视为弯剪型-弯曲型双重结构在弯剪型子结构抗弯刚度取无穷大时的一种特殊表现形式.     

重复子结构的有限元法

本文介绍了重复性结构应力分析的一般原理。进而又利用了SAP程序中待写入单刚的空位,在子结构界面上设伪单元,将子结构界面上的协调条件通过伪单元的刚度矩阵的贡献来满足。导出了伪单元刚度矩阵的一般表示式。为了考核伪单元在处理重复性子结构中的精度,做了考题,从求得的位移可以看出界面上的变形协调条件得到满足。与经典解相比,精度是满意的。本文所介绍的方法具有普遍意义。     

三维边坡稳定性边界效应分析

利用FLAC3D程序建立边坡三维数值计算模型,分析不同边界条件如全约束边界、半约束边界以及自由边界对边坡安全系数及滑动面的影响。研究结果表明:在全约束边界条件下,边坡的安全系数最高;在半约束边界条件下,边坡的安全系数次之;在平面应变模式下,边坡的安全系数最小,且与自由边界条件下得到的安全系数非常接近;当对称均质边坡的宽高比满足一定条件时,全约束边界与半约束边界等效,由此得到的安全系数及滑动面形态也相同。     

基于有限元法的边界条件处理对曲轴强度计算的影响

用传统的力学分析方法分析机械设备的复杂零部件的强度和刚度时,精度低,不能满足生产需要,无法正确反映曲轴在一个工作循环内各瞬时的应力分布,于是有限元法就应运而生。本文对载荷和位移边界条件处理对曲轴有限元分析结果的影响研究,说明了边界条件处理在曲轴计算中的重要性。     

动荷载作用下刚性路面动力响应特殊函数分析方法

本文将车辆轮胎的接地形状简化为矩形，将刚性路面视作弹性地基上的板，将行车荷载视为瞬间冲击作用，使用特殊函数描述。刚性路面受到冲击荷载作用产生的应力以空间波动的形式传播，建立三维波动方程，将振动波在刚性路面中传播过程简化为波动方程的初值问题。根据边界条件和初始条件，采用数学和力学方法对冲击荷载作用下刚性路面的动力响应进行了分析，得到刚性路面任意一点的运动规律。考虑材料的力学性质，可以得出路面中各点的位移的应力，同时可以得出任何一点达到最大应力时所需的时间，以及应力在刚性路面的消散过程。从而得到行车速度对刚性路面各点应力的影响。结果表明使用特殊函数法分析行车荷载作用下刚性路面的应力是合理的，车速越高对下层路面影响越小，结果比较符合实际，计算简单，便于应用。     

粘弹性悬臂梁弯曲变形的哈密顿体系方法

利用对应原理和变分法,提出一种求解粘弹性悬臂梁问题的哈密顿体系方法,得到对偶方程的基本解向量,即零本征向量和非零本征向量.具体问题的解可表示为这些本征向量的线性组合,组合系数取决于边界条件.通过算例描述粘弹性悬臂梁弯曲变形的应力分布规律、由端部的位移约束带来的应力集中现象以及弯曲变形的蠕变特征,表明了这种方法的有效性.     

梯形桁梁桥侧倾稳定分析的一种有限元法

本文将梯形桁梁桥的斜桥门架节间视作一子结构,通过其非满秩的失稳模态矩阵对子结构的刚度阵和几何刚度阵进行线性变换,得到子结构略去高阶失稳模态座标下的刚度阵和几何刚度阵;对于梯形桁梁桥的中间桁梁段则用桁梁梁段单元进行处理。这样,通过斜桥门架稳定子结构的广义位移与相邻梁段单元的广义位移之间的几何关系,即可得到计算梯形桁梁桥侧倾稳定的子结构与梁段单元相结合的有限元方法。本文给出了算例,并将结果与其它方法的结果进行了比较。结果表明,该方法具有很好的精度。     

基于OpenSEES的复杂子结构拟动力试验方法研究

以OpenSEES为核心计算平台,针对框架结构体系取复杂子结构的拟动力试验方法开展研究。探讨了取局部结构体系为试验子结构时的边界条件模拟方法,解决了数值子结构因形成几何可变体系而无法在OpenSEES中求解的问题。通过一榀十二层五跨防屈曲支撑钢框架结构和一榀八层三跨钢筋混凝土框架结构取一层一跨和一层三跨结构体系为试验子结构的拟动力试验,验证了本文子结构拟动力试验方法的可行性与有效性。     

动力子结构技术下的灵敏度分析

从子结构方法出发，导出了结构的自振频率和位移响应灵敏度的计算方法，该方法只需对隆阶方程和各个子结构进行处理，即可实现灵敏度分析的降阶，从而为进一步开展大型复杂结构的动力优化设计开辟了途径。实例计算结果说明了该方法的正确性。     

模态加速度法的实质及其与模态综合的关系

给出了模态加速度法新的表达方式,阐明模态加速度法比模态位移法收敛率高的实质.基于新的表达,本文证明了模态综合中自由子结构法和约束子结构法基本模态集的组成均源于模态加速度法.