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向量式有限元膜单元及其在膜结构褶皱分析中的应用

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建筑结构学报 2015年第1期36卷 127-135页

作者：赵阳王震彭涛浙江大学空间结构研究中心浙江杭州310058 浙江省建筑设计研究院浙江杭州310006

向量式有限元法是一种基于点值描述和向量力学理论的分析方法,可有效模拟结构的空间大位移、大转动行为。推导了三角形膜单元的向量式有限元基本公式,详细阐述了通过逆向运动获得单元节点纯变形位移以及在变形坐标系下求解单元节点内力... 详细信息

向量式有限元法是一种基于点值描述和向量力学理论的分析方法,可有效模拟结构的空间大位移、大转动行为。推导了三角形膜单元的向量式有限元基本公式,详细阐述了通过逆向运动获得单元节点纯变形位移以及在变形坐标系下求解单元节点内力的方法。在此基础上编制了膜单元的计算程序,并通过算例分析验证了理论推导的正确性及所编制程序的可靠性。进一步将向量式有限元引入膜结构的褶皱分析,采用主应力-主应变准则和修正本构矩阵方法处理膜结构的褶皱问题,对一典型膜结构在面外荷载作用下的力学行为及褶皱发展情况进行跟踪分析,成功捕捉了从褶皱出现、褶皱大范围扩展直至褶皱最终消失的全过程,证明了该方法在膜结构皱褶分析中可有效克服传统有限元方法存在的单元刚度矩阵奇异、迭代不易收敛等问题。

关键词：膜结构向量式有限元三角形膜单元主应力-主应变准则修正本构矩阵褶皱分析

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采用向量式有限元的拉索参数振动模拟

振动工程学报 2023年第1期36卷 188-195页

作者：段元锋黄嘉思邓南王素梅应祖光何闻浙江大学建筑工程学院浙江杭州310058 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司浙江杭州311122 国家轨道交通电气化与自动化工程技术研究中心(香港分中心) 中国香港999077 浙江大学航空航天学院力学系浙江杭州310027 浙江大学浙江省先进制造技术重点实验室浙江杭州310027

拉索的参数振动主要是由连接拉索端部的结构振动引起的,当端部振动频率与拉索的自振频率满足一定倍数关系时,拉索端部激励容易激发较大拉索参数振动。由于参数振动存在复杂的非线性振动特征,传统的解析方法难以应用于实际工程。本文发... 详细信息

拉索的参数振动主要是由连接拉索端部的结构振动引起的,当端部振动频率与拉索的自振频率满足一定倍数关系时,拉索端部激励容易激发较大拉索参数振动。由于参数振动存在复杂的非线性振动特征,传统的解析方法难以应用于实际工程。本文发展了模拟拉索参数振动的向量式有限元方法,对斜拉索在动边界条件下的振动进行分析,对比控制方程的数值解以验证结果的准确性。并基于向量式有限元模型对端部支座轴向运动激励下产生的主共振区和主参数共振区特性进行讨论,分别研究了拉索倾角、阻尼比以及风荷载协同作用对参数振动的影响。研究结果表明向量式有限元可以有效模拟复杂工况下的拉索参数振动,有利于实际工程应用。

关键词：斜拉索参数振动振动模拟向量式有限元数值解

向量式有限元在陡坡双桩基础内力及变形计算中的应用研究

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湖南交通科技 2022年第1期48卷 50-55页

作者：陈冠湖南路桥建设集团有限责任公司湖南长沙410015

为研究向量式有限元在陡坡双桩内力及变形计算中的应用,推导了桩土相互作用等效节点力的计算方式,采用创新性的向量式有限元法对基桩进行离散化建模,编制了向量式有限元MATLAB数值求解程序,计算得到复杂荷载作用下陡坡桩基础的内力及变... 详细信息

为研究向量式有限元在陡坡双桩内力及变形计算中的应用,推导了桩土相互作用等效节点力的计算方式,采用创新性的向量式有限元法对基桩进行离散化建模,编制了向量式有限元MATLAB数值求解程序,计算得到复杂荷载作用下陡坡桩基础的内力及变形结果,并与基于传统有限元ABAQUS软件的计算结果进行对比。结果表明:向量式有限元法结合等效节点力可以准确描述桩土的相互作用机理;两种方法计算得到的内力及位移结果非常接近,横系梁以上区域相对误差均小于5%;相较于传统有限元软件,向量式有限元法计算效率更高,且避免了矩阵运算中迭代不收敛问题,可用于桩土相互作用的分析。

关键词：向量式有限元高陡边坡双桩内力计算桩土相互作用

基于向量式有限元法的磁浮列车磁力耦合系统建模与数值分析

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同济大学学报（自然科学版） 2021年第12期49卷 1635-1641,1700页

作者：孙友刚徐俊起王素梅袁野倪一清同济大学铁道与城市轨道交通研究院上海201804 同济大学国家磁浮交通工程技术研究中心上海201804 香港理工大学国家轨道交通电气化与自动化工程技术研究中心香港分中心香港999077 江苏大学电气信息工程学院江苏镇江212036

针对中低速磁浮列车悬浮系统,基于向量式有限元法建立可变刚度的高架轨道梁模型,同时基于牛顿力学方程建立车辆系统模型,并通过可控悬浮电磁力将2个模型耦合。以轨道梁的跨中位移、梁端转角、振动加速度以及悬浮间隙偏差值为重要指标,... 详细信息

针对中低速磁浮列车悬浮系统,基于向量式有限元法建立可变刚度的高架轨道梁模型,同时基于牛顿力学方程建立车辆系统模型,并通过可控悬浮电磁力将2个模型耦合。以轨道梁的跨中位移、梁端转角、振动加速度以及悬浮间隙偏差值为重要指标,从所提出的车‒桥磁力耦合模型出发,通过数值仿真得到磁浮列车及轨道线路相应结构构件的振动响应及位移变形响应规律。最后,通过全尺寸磁浮列车现场试验初步验证所提出的磁力耦合模型的有效性。

关键词：磁浮列车动力学建模高架轨道梁向量式有限元磁力耦合系统

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向量式有限元弹簧碰撞方法及数值分析

向量式有限元弹簧碰撞方法及数值分析

作者：林佳悦哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

向量式有限元方法是由美国普渡大学丁承先教授提出的以牛顿力学作为控制方程的创新性理论,该理论结合了向量力学和数值计算概念,适用于解决材料非线性,几何非线性,断裂等结构复杂性行为。目前,利用向量式有限元方法进行碰撞分析时,一般... 详细信息

向量式有限元方法是由美国普渡大学丁承先教授提出的以牛顿力学作为控制方程的创新性理论,该理论结合了向量力学和数值计算概念,适用于解决材料非线性,几何非线性,断裂等结构复杂性行为。目前,利用向量式有限元方法进行碰撞分析时,一般采用向量式有限元杆单元理论进行计算,但杆单元主要受轴向力,不承受弯矩,计算结果不够精确。本文利用向量式有限元弹簧碰撞理论,给出了海上风电导管架与过往船只碰撞的数值建模方法,为海上风电导管架基础的防撞设计提供参考。本文的主要研究内容有:(1)结合向量式有限元梁单元理论和弹簧碰撞方法推导了向量式有限元弹簧碰撞理论公式,并将其应用在梁单元的碰撞中,推广了向量式有限元方法的应用范围,同时也为海上风电导管架基础与船舶的碰撞分析提供理论基础。(2)基于向量式有限元弹簧碰撞理论,给出了海上风电导管架-船舶碰撞的数值建模方法,利用MATLAB编译程序,进行数值建模,将结果和ABAQUS计算结果对比,二者曲线吻合,验证了向量式有限元弹簧碰撞理论的可靠性,且该方法计算时间短,计算效率更高,凸显了该方法的优势。(3)利用向量式有限元弹簧碰撞理论的数值建模方法,研究了海上风电导管架基础和船舶的碰撞问题,给出了船舶吨位、碰撞速度和碰撞位置对导管架基础力学性能的影响规律。

关键词：导管架基础向量式有限元弹簧碰撞船舶碰撞

基于多线性材料硬化的向量式有限元C型薄壁型钢屈曲分析

同方学位论文库评论

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华北水利水电大学学报(自然科学版) 2023年

作者：孙子涵陈朝晖宋春草马文亮华北水利水电大学烟台市政府投资工程建设服务中心郑州工商学院

C型薄壁型钢在实际工程中较为常见,在力的作用下容易发生屈曲失效。传统有限元法预测结构屈曲已经有一套较为成熟的方案,但程序较为繁琐。本文基于向量式有限元(VFIFE)方法编制了三角形壳单元的Fortran计算程序。通过Matlab编写前处理... 详细信息

C型薄壁型钢在实际工程中较为常见,在力的作用下容易发生屈曲失效。传统有限元法预测结构屈曲已经有一套较为成熟的方案,但程序较为繁琐。本文基于向量式有限元(VFIFE)方法编制了三角形壳单元的Fortran计算程序。通过Matlab编写前处理与后处理程序,将计算结果与经典的双曲壳屈曲计算结果进行对比,考察其正确性。考虑几何非线性与材料非线性,引入多线性材料硬化模型,计算了不同尺寸的C型薄壁型钢在轴压荷载下的屈曲特性。研究通过位移-轴力曲线判断出屈曲荷载,并用后处理程序制出屈曲模态并与现有的试验结果进行对比。结果表明:引入多线性材料硬化模型的向量式有限元方法能够较好的预测结构屈曲荷载以及屈曲模态,为预测结构的屈曲行为提供了一种新的,可靠的方案。

关键词：向量式有限元结构屈曲多线性材料硬化模型后屈曲

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一致质量矩阵在向量式有限元中的应用

华中科技大学学报（自然科学版） 2019年第11期47卷 37-42页

作者：袁行飞艾科热木江·塞米马烁浙江大学空间结构研究中心

为研究一致质量矩阵在向量式有限元分析中的应用,采用第二类拉格朗日方程建立向量式有限元的质点运动方程,从能量原理推导了一致质量矩阵、集中质量矩阵和力矩阵,并引入节点位移约束,对两种质量矩阵在杆系结构中的向量化方程及含义作了... 详细信息

为研究一致质量矩阵在向量式有限元分析中的应用,采用第二类拉格朗日方程建立向量式有限元的质点运动方程,从能量原理推导了一致质量矩阵、集中质量矩阵和力矩阵,并引入节点位移约束,对两种质量矩阵在杆系结构中的向量化方程及含义作了对比.进一步通过受冲击荷载的无约束杆算例和受突加荷载的平面桁架算例,对比了采用两种质量矩阵的向量式有限元、刚体动力学及ANSYS分析软件得到的动力响应.结果表明:在瞬态动力分析中,采用一致质量矩阵比集中质量矩阵得到的结果更精确.当计算刚体平动时,两种质量矩阵的计算结果接近;而当计算刚体转动时,采用一致质量矩阵的向量式有限元方法具有较好的计算精度和效率,从而验证了一致质量矩阵在向量式有限元中的适用性和精准性.

关键词：向量式有限元一致质量矩阵集中质量矩阵杆系结构动力响应

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向量式有限元--一种新型的数值方法

空间结构 2012年第1期18卷 85-91页

作者：卢哲刚姚谏浙江大学结构工程研究所浙江杭州310058 浙江树人大学城建学院浙江杭州310015

介绍一种新型数值方法——向量式有限元的特点与应用.首先结合一个简单的悬臂梁算例,概述向量式有限元的基本原理和有关计算步骤,并将向量式有限元与传统有限元方法的不同之处进行了比较归纳,接着总结了该方法在工程研究领域的应用与发... 详细信息

介绍一种新型数值方法——向量式有限元的特点与应用.首先结合一个简单的悬臂梁算例,概述向量式有限元的基本原理和有关计算步骤,并将向量式有限元与传统有限元方法的不同之处进行了比较归纳,接着总结了该方法在工程研究领域的应用与发展现状,最后对该新型数值方法尚需完善的方面作了简单说明.既有研究表明,相比传统有限元,向量式有限元能更准确地分析和预测结构在大变形、断裂、碰撞情况下的各种行为,在结构火灾数值模拟、桥梁结构抗震、FRP约束混凝土构件性能模拟等许多研究应用领域都具有良好应用前景.向量式有限元可以作为研究者在研究相关问题时的一个有力工具,也可以为工程设计人员的设计提供一种更精确的手段.

关键词：向量式有限元传统有限元大变形断裂碰撞

向量式有限元法在气垫船围裙性能研究中的应用

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向量式有限元法在气垫船围裙性能研究中的应用

作者：曹林冲上海交通大学

学位级别：硕士

气垫船因其优越的快速性和两栖性,是两栖登陆艇最理想的选择,其发展受到各国海军的重视。气垫船围裙系统是决定气垫船总体性能的重要系统,气垫船围裙的应力水平、响应能力和抗缩进能力等性能参数与围裙尺寸、围裙类型、囊压比等设计参... 详细信息

气垫船因其优越的快速性和两栖性,是两栖登陆艇最理想的选择,其发展受到各国海军的重视。气垫船围裙系统是决定气垫船总体性能的重要系统,气垫船围裙的应力水平、响应能力和抗缩进能力等性能参数与围裙尺寸、围裙类型、囊压比等设计参数密切相关,围裙的设计是一个不断优化的过程,需要多次重复计算。传统的简化分析法不仅误差较大,适用范围也较小,而通用有限元软件因其自身的局限性,设计效率很低。本文根据气垫船围裙的性能设计需求,对向量式有限元理论进行改进和简化,并编写有限元程序,对围裙各性能的影响因素展开了研究,主要工作内容包括:(1)对常用的薄膜成型计算方法进行介绍分析,包括解析法、通用有限元法和向量式有限元法,并阐述了各方法的优缺点;对向量式有限元平面单元理论进行改进和简化,得到了平面膜单元的基本理论。(2)基于Matlab软件平台编写向量式有限元法杆单元程序,计算气垫船二维围裙的成型和张力,并分析了弹性模量、手指与围裙囊的连接方式和张力近似公式对围裙成型和张力的影响,计算结果表明传统的简化分析法计算的围裙张力偏差较大。(3)在杆单元程序中,加入围裙触水的影响,计算了围裙的响应能力和抗缩进性能等性能参数,并全面分析了囊压比、航速、触水深度和几何参数对响应围裙性能参数的影响。通过引入气垫系统特性方程,计算分析了围裙张力、围裙高度随着波面起伏的动态响应特性。(4)基于改进和简化后的平面膜单元基本理论,编写平面三角形膜单元和四边形膜单元程序,计算三维围裙的成型、张力和响应能力,并和杆单元程序的计算结果进行对比,以修正杆单元简化处理带来的误差。在平面三角形单元程序中加入碰撞检测和响应机制,避免围裙之间、围裙与地面之间不合理的碰撞穿透现象;通过引入薄膜的各向异性本构关系矩阵,实现了各向异性弹性模量围裙的性能计算,并讨论了各向异性弹性模量对围裙成型和张力的影响。通过组合使用杆单元和平面膜单元程序,不仅减小了计算误差,还提高了设计效率。

关键词：向量式有限元气垫船围裙性能参数平面膜单元杆单元