考虑节点柔度的空心圆钢管桁架的简化分析模型

焊接圆钢管桁架在节点部位存在明显的局部柔度现象,在进行有限元分析时要精确模拟这种节点局部柔度就需要采用3D实体或壳单元模拟整个管桁架结构,这导致有限元分析的计算量大、效率低,不利于在工程设计中采用。为了简化计算过程,通常使用常规梁单元模拟钢管构件,并将管节点部位模拟成刚接形式。这种简化方法虽然提高了计算效率,但是却无法模拟出节点局部柔度导致的变形。为了解决这个问题,在常规梁单元模型基础上,在节点部位引入一个虚拟梁单元(Fictitious Beam Element,FBE)模拟节点的局部变形。虚拟梁单元的刚度可通过以往对管节点柔度研究所提出的参数公式进行等效。为了验证这种简化模型的准确性,对由T型管节点和Y型管节点组成的管桁架进行参数分析,共计算了12个管桁架模型,对这些管桁架模型分别采用3D有限元模型、常规刚接梁单元模型以及所提出的虚拟梁单元模型进行分析。研究结果表明:常规刚接梁单元模型会过低估计管桁架的变形,而采用虚拟梁单元模型则可以高精度地计算出管桁架的变形。     

预应力混凝土多梁式梁桥的非线性壳单元模型及极限承载力研究

本文研究了预应力混凝土多梁式梁桥的非线性壳单元计算模型,对多梁式梁桥进行了非线性全过程分析。采用弥散裂缝模式、Ottosen屈服准则和Hinton压碎准则描述混凝土开裂、屈服和压碎非线性性质后,引入实体退化壳单元理论,对混凝土和普通钢筋采用分层壳单元模拟,预应力钢筋采用组合壳单元模拟,并根据位移协调性推求了预应力钢筋对组合壳单元刚度矩阵的贡献,研究了一种非线性组合-分层壳单元计算模型,并编制了相应的三维非线性壳单元计算程序。结合破坏性试验资料可知,非线性计算结果与试验数据吻合良好,并对普通钢筋和预应力钢筋应力发展规律进行研究。研究表明对于预应力混凝土多梁式梁桥这类薄壁结构,采用本文提出的非线性壳单元计算模型来研究其非线性行为是有效的,此单元具有良好的数值稳定性和收敛性。     

基于多尺度模型的单层网壳非线性屈曲分析

为同时模拟细观节点的局部变形和宏观结构的整体稳定性,本文通过对全梁一致单元模型的屈曲分析得出力学响应集中的重点区域,对该区域进行精细化建模,采用壳单元离散,宏观结构采用梁单元离散。建立了基于多点约束法的多尺度模型,并对多尺度模型及全梁单元模型进行了模态分析、考虑初始缺陷的双重非线性屈曲分析。对比结果可知;基于多点约束法的多尺度模型不会改变结构的频率、周期等固有特性,但因刚度分布的改变会导致振型变化;多尺度模型的稳定临界荷载相比一致单元模型有不同程度的降低。研究表明：多尺度模型能较为精准地模拟出细观节点的受力和变形,更贴近于实际工程的同时,在宏观层面的分析上也不失可信度。     

基于Ottosen准则的PC多梁式梁桥全过程分析

为了对预应力混凝土(PC)多梁式梁桥进行非线性全过程分析,采用弥散裂缝模式、Ottosen屈服准则和Hinton压碎准则描述混凝土的开裂、屈服和压碎等非线性变化,引入实体退化壳单元理论,对混凝土和普通钢筋采用分层壳单元模拟,预应力钢筋采用组合壳单元模拟,并根据位移协调性推导了预应力钢筋对组合壳单元刚度矩阵的贡献,提出了一种非线性组合―分层壳单元计算模型,并编制了相应的三维非线性壳单元计算程序.结合破坏性试验资料可知,非线性计算结果与试验数据吻合良好,极限荷载的相对误差约为0.13%;同时,普通钢筋和预应力钢筋应力发展规律的研究表明,对于PC多梁式梁桥这类薄壁结构,采用文中提出的非线性壳单元计算模型来研究其破坏全过程是有效的,此单元具有良好的数值稳定性和收敛性.     

复合材料旋转壳强度的有限元分析和横向剪切变形影响分析

对于纤维增强复合材料壳体,由于其横向剪切刚度与一般各向同性金属壳相比要低得多,一般认为在进行强度分析时必须考虑横向剪切变形的影响[1,2]。本文计算了一个变厚度旋转壳的强度,考虑了横向剪切变形的影响。计算结果说明,对于玻璃纤维缠绕壳体,在类似于各向同性簿壳的几何尺度范围内,其横向剪切变形的影响还是可以忽略的。1.单元的选取 采用双曲拟协调元,直接对应变量进行插值。每个单元共有 8个节点位移未知量(图 1)。其中 u i,uj为母线方向位移,　　　　,为法向位移。采用沿壳体厚度变形的直线假定[1],设 　　　　,为 i,j节点处截面变形…     

考虑剪切变形的RC结构梁柱单元模型

基于纤维模型有限单元柔度法,考虑轴向、弯曲和剪切效应,对钢筋混凝土结构承受单调荷载作用进行非线性分析.应用多轴应力状态下的塑性应力-应变关系理论,在单元模型中考虑了弹塑性区域剪切变形对单元弹塑性刚度的影响,建立能够考虑梁柱非线性剪切变形的纤维单元在复杂加载历史中的切线刚度矩阵.在所建立的截面刚度矩阵中,剪切变形和轴向、弯曲变形不耦合,而剪切和弯曲力在单元层面耦合,且在梁单元上满足力的平衡关系.将计算结果和钢筋混凝土柱的加载试验结果相比较,验证了模型的有效性.     

钢箱—混凝土组合梁受力性能有限元分析

钢箱—混凝土组合梁是一种新型钢—混凝土组合结构。为研究钢箱-混凝土组合梁的结构性能,分析其强度和刚度的主要影响因素,在ANSYS软件中利用板壳单元和实体单元建立了梁的三维空间有限元模型,考虑材料非线性和钢板局部屈曲的几何非线性,对钢箱-混凝土组合梁受力行为进行了有限元分析,分析结果与试验实测结果吻合良好,说明计算模型有效。利用计算模型对影响钢箱—混凝土组合梁强度和刚度的主要参数进行了分析,结果表明,钢板厚度变化对梁的强度和刚度的影响强弱依次为底板腹板顶板,提高混凝土强度可以明显提高梁的强度和刚度。     

非标准交接板梁组合结构的有限元建模新方法

讨论了两类比较特殊的非标准交接板梁组合结构-有相当横截面面积的筒形壳/管形状的梁与板壳单元的组合结构，指出对这些组合结构的常规处理方法可能导致板壳单元对梁单元变形约束的放松，造成约束刚度的低估和相应特征频率计算结果偏低的虚伪现象，利用MSC/NASTRAN结构有限元分析软件中的多点约束（MPC）法，提出了一种新的建模方法，可以很好地解决上述问题，通过两个算例验证了该模拟方法的有效性。     

正交异性钢桥面板局部振动计算的组合板梁单元法

针对大跨度钢桥中采用梯形加劲肋的正交异性钢桥面板,提出一种计算钢桥面板局部振动的组合板梁单元法.其中顶板用平板壳单元分析,梯形加劲肋视为板梁单元,两者的位移模式根据板与肋的变形协调关系建立.组合板梁单元的刚度矩阵通过能量变分原理得到,利用各子单元的形函数可以求得组合板梁单元的一致质量矩阵与一致荷载列阵,进而得到相应的有...     

开裂后预应力混凝土连续箱梁计算模型

为了能够准确有效地模拟开裂后预应力钢筋箱梁的力学性能,提出了一种开裂后预应力钢筋和混凝土单元组合模型,箱梁梁体采用实体退化分层壳单元进行模拟.应用钢筋单元和混凝土单元之间的位移场关系,形成钢筋对混凝土单元的贡献,将预应力钢筋对结构的作用直接反映在单元模型内部,编制了配筋混凝土三维非线性有限元程序,并结合实桥破坏性试验数据进行了对比.结果表明:箱梁的实测变形及应变和理论数据吻合;中跨均布竖向荷载时箱梁开裂初期开裂区域的刚度折减约10%.     

基于伸臂桁架多尺度模型的超高层建筑地震灾变评估

针对伸臂桁架斜腹杆在地震灾变过程中发生塑性屈曲,而宏观梁单元很难模拟塑性屈曲引起的承载力和刚度退化这一问题,以典型伸臂桁架试验为基础,在兼顾计算效率和精度的前提下,提出了基于梁单元和壳单元的伸臂桁架多尺度有限元模型;建立了典型超高层建筑的多尺度有限元模型,研究伸臂桁架塑性屈曲对地震灾变全过程的影响.结果表明,伸臂桁架多尺度模型能较好地预测初始刚度、屈服承载力以及塑性屈曲引起的承载力和刚度退化,且具有较高的分析效率;在进行超高层建筑地震灾变模拟时,不考虑伸臂桁架的塑性屈曲,会高估伸臂桁架的耗能能力,低估核心筒和巨柱的损伤程度,最终影响结构的倒塌模式并高估抗倒塌能力.     

基于梁单元的漏斗胸合并脊柱侧弯矫形手术过程的数值模拟

通过对漏斗胸合并脊柱侧弯矫形手术过程的数值模拟了解胸廓的变形规律,对于预测矫形结果,指导临床手术方案的设计具有重要意义.本文以漏斗胸合并脊柱侧弯的病例为例,对用于数值模拟的梁单元计算模型进行了研究,定量分析了梁单元模型对胸骨抬高和脊柱侧弯变形的影响.研究结果显示,基于梁单元计算模型位移场中的胸骨抬高位移与三维实体模型模拟结果以及临床术后结果十分接近,但脊柱的侧向位移与三维实体模型模拟结果以及临床术后结果存在显著差别,且梁单元模型得到的矫形应力也小于三维实体模型的结果。对计算结果的分析表明,导致梁单元计算模型不能准确预测脊柱侧弯变形的主要原因是模拟胸椎的梁单元模型过于简化,不能正确模拟肋骨对椎体的牵拉作用,此外用梁单元模拟胸椎无法考虑椎间盘对脊柱侧弯变形的影响,因此用梁单元模型模拟漏斗胸合并脊柱侧弯的微创矫形过程会引起较大的误差.     

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.     

钢框架分析中考虑结点区变形的子结构法

对结点区的受力性能和剪切变形采用16结点相对自由度等参数壳单元进行分析,将相对自由度概念引入等参元,得到了16结点相对自由度壳元插值表达式,推导了单元刚度矩阵,在形成单元刚度矩阵时,引入材料的弹塑性性能考虑了结点区屈服对整体框架结构的影响.刚度矩阵形成以后对内部结点的自由度进行聚缩,采用子结构方法将出口参数转换为杆端自由度,使得结点区形成最多6个结点的空间组合单元体参与结构整体分析.在整体分析中,采用相对自由度壳单元考虑结点区剪切变形的非线性影响,可以同时考虑板件的局部屈曲.并通过算例证明了本文方法的精确度和有效性.     

基于壳梁单元耦合理论的车身有限元分析及其轻量化设计

在梁单元的基础上,采用壳单元和梁单元混合模型,并对壳元和梁元的边界耦合的刚度矩阵进行了详细的推导.利用通用有限元分析软件ANSYS计算了天然气公交客车在弯曲、扭转、转弯、刹车4种工况下的应力及变形.根据计算结果提出了轻量化的方案,并对应力集中点进行了结构优化,利用ANSYS对改进后的车型进行计算,结果表明改进方案可行.     

Nonlinear analysis on the reinforced concrete multi-T girder based on the solid and degraded composite element

根据实体退化壳单元理论,推导单元的位移场,建立钢筋混凝土多梁式T梁的实体退化组合单元模式,其中纵向受力钢筋采用空间杆单元处理,并推求了其对实体退化组合单元刚度矩阵的贡献。采用Ottosen四参数屈服准则,考虑混凝土的材料非线性,以及通过V.Karman假设考虑了结构的几何非线性,分析几何非线性对此结构的影响。典型算例分析表明:考虑双重非线性的钢筋混凝土多梁式T梁的实体退化组合单元的计算结果与试验资料吻合良好;当偏载加载时,加载端边梁的受力钢筋应力发展较为迅速而首先达到屈服应力,其余各主梁的受力钢筋应力依次发展,直至结构破坏;对于钢筋混凝土多梁式T梁类实体结构,材料非线性效应明显,但几何非线性效应在一定范围内可以不计入。     

基于实体退化组合单元的钢筋混凝土多梁式T梁非线性分析

根据实体退化壳单元理论,推导单元的位移场,建立钢筋混凝土多梁式T梁的实体退化组合单元模式,其中纵向受力钢筋采用空间杆单元处理,并推求了其对实体退化组合单元刚度矩阵的贡献。采用Ottosen四参数屈服准则,考虑混凝土的材料非线性,以及通过V.Karman假设考虑了结构的几何非线性,分析几何非线性对此结构的影响。典型算例分析表明:考虑双重非线性的钢筋混凝土多梁式T梁的实体退化组合单元的计算结果与试验资料吻合良好;当偏载加载时,加载端边梁的受力钢筋应力发展较为迅速而首先达到屈服应力,其余各主梁的受力钢筋应力依次发展,直至结构破坏;对于钢筋混凝土多梁式T梁类实体结构,材料非线性效应明显,但几何非线性效应在一定范围内可以不计入。     

风力发电结构有限元建模及其地震响应分析

为研究不同精细程度的风力发电结构有限元模型在不同分析目的下的适用性,基于2MW三桨叶水平轴风力发电机,采用有限元软件ANSYS建立七种不同精细程度的风力发电结构有限元模型,以风力发电结构地震响应分析为例,得到各模型的响应结果,分别从变形、内力、应力以及应力集中四个方面分析各个模型的计算结果.研究结果表明:在计算风力发电结构的变形时,由于上部机舱及叶片对其影响较小,采用低阶单元即可得到较好的模拟结果;在计算塔底截面剪力和截面弯矩时,考虑机舱及叶片的有限元模型得到的结果较为精确,单元选择时需采用高阶实体单元;不考虑叶片、轮毂以及机舱得到的塔筒截面应力离散性较大,采用壳单元可较好地模拟塔筒截面应力;叶片、机舱等上部结构对门洞局部产生的应力集中影响较大,在计算时建议应用塔筒采用壳单元、门洞局部采用实体单元的多尺度模型进行模拟.     

火灾下基于纤维梁和分层壳模型的结构破坏机制分析

为分析混凝土空间框架结构在火灾下的反应规律及其破坏机理,基于已建立的纤维梁单元和混凝土分层壳单元的火灾破坏数值模型,通过在截面层次上来考虑构件截面的不均匀温度场分布及其材料非线性和几何非线性,并引入纤维梁单元截面形心结点与分层板壳单元结点的偏离以及位移协调条件来建立两者的连接模型,从而实现考虑楼板作用的整体结构火灾反应分析模型.最后,运用建立的模型对两个多层框架进行了火灾反应分析,分析了楼板和梁柱的相互作用规律及其破坏机制.结果表明,纤维梁单元模型和分层壳模型能够用于模拟钢筋混凝土结构的受火破坏过程,并且火灾发生的位置不同,结构的破坏机制也不同.     

基于混合坐标系的单弹簧联结单元法

在传统双弹簧联结单元法的基础上,提出了一种求解钢筋与混凝土黏结滑移问题的新方法——基于混合坐标系的单弹簧联结单元法.在混凝土实体单元与钢筋梁(杆)单元的切向设置单弹簧联结单元,模拟钢筋与混凝土切向的相互作用,其切向刚度同样是由钢筋与混凝土之间黏结力与滑移量的关系确定.混凝土实体单元在整体坐标系内求解,而为了方便建立法向自由度之间的关系,钢筋梁单元在局部坐标系内求解,通过建立法向自由度约束方程保证钢筋与混凝土的法向变形协调,避开了人为选择法向刚度系数的困难,能够很方便地考虑钢筋对混凝土的销拴效应,并且也适用于钢筋单元在混凝土中任意布置的情况.数值算例表明,该方法是正确和有效的.