非節(jié)點(diǎn)連接有限元理論及其軟件實(shí)現(xiàn).pdf

1、在土木工程中，由于基體材料的性能不足，大量使用各種加筋材料來(lái)增強(qiáng)和改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。普通鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土、型鋼混凝土、鋼管混凝土以及巖體用錨桿進(jìn)行錨固等多種復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)形式被廣泛采用。結(jié)構(gòu)的重要性對(duì)分析計(jì)算提出了更高的要求，建立恰當(dāng)?shù)挠邢拊Ｐ蛯?duì)加筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，是進(jìn)行有限元分析首先需要解決的難題。目前，加筋結(jié)構(gòu)的有限元建模方法主要有分離式、組合式和整體式三種。但這三種方法各有缺陷，難以模擬工程實(shí)際中

2、的復(fù)雜情況。
　　針對(duì)目前土木工程加筋結(jié)構(gòu)有限元分析缺乏恰當(dāng)有限元模型的問(wèn)題，本文開(kāi)展了以下方面的研究并取得了相應(yīng)的成果：
　　1.在考察現(xiàn)有各種加筋結(jié)構(gòu)中加筋構(gòu)件力學(xué)行為的基礎(chǔ)上，指出加筋構(gòu)件的合理單元模型可以采用桿單元和梁?jiǎn)卧?，其中梁?jiǎn)卧哂芯C合的力學(xué)性能，適用范圍更為廣泛。
　　2.在考察各種加筋構(gòu)件與基體材料的連接方式基礎(chǔ)上，提出了自由度層次的非節(jié)點(diǎn)連接方法?；谠摲椒ǎ咏顔卧母鞴?jié)點(diǎn)可位于一個(gè)或多個(gè)其它單元

3、內(nèi)部，節(jié)點(diǎn)的自由度也無(wú)需全部與母單元的位移場(chǎng)一致，既有別于分離式模型通過(guò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)單元連接，又有別于組合式模型要求加筋單元整體位于一個(gè)母單元。自由度層次的非節(jié)點(diǎn)連接方法建模靈活方便，能準(zhǔn)確考慮加筋構(gòu)件的復(fù)雜布置；通過(guò)引入節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系，又可自然模擬加筋構(gòu)件與基體材料之間的位移不連續(xù)性(如粘結(jié)滑移、無(wú)粘結(jié)和體外布置等)。
　　3.對(duì)于采用非節(jié)點(diǎn)連接方法建立的有限元模型，為實(shí)現(xiàn)其有限元分析，對(duì)平面和空間梁?jiǎn)卧⑵矫婧涂臻g等參元的含轉(zhuǎn)動(dòng)位移場(chǎng)

4、進(jìn)行了深入的研究。將單元內(nèi)一點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)分為一點(diǎn)平均轉(zhuǎn)動(dòng)和特定方向線元轉(zhuǎn)動(dòng)兩種形式，給出了兩種形式的具體計(jì)算方法。一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的深入研究，為帶轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的節(jié)點(diǎn)與其它單元連接提供了理論基礎(chǔ)，使得用梁?jiǎn)卧M加筋構(gòu)件得以成功實(shí)現(xiàn)。
　　4.建立了非節(jié)點(diǎn)連接有限元分析方法。將內(nèi)節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系下的自由度分為一致的自由度和獨(dú)立的自由度，分別用于模擬內(nèi)節(jié)點(diǎn)與母單元位移場(chǎng)的連續(xù)性和不連續(xù)性，建立了內(nèi)節(jié)點(diǎn)與母單元之間的粘結(jié)彈簧單元用于模擬內(nèi)節(jié)點(diǎn)與母單元

5、之間的粘結(jié)滑移。針對(duì)多種單元類(lèi)型，對(duì)非節(jié)點(diǎn)連接情況下的有限元計(jì)算公式進(jìn)行了系統(tǒng)推證，建立了非節(jié)點(diǎn)連接情況下的單元組裝方法。
　　5.研究和解決了非節(jié)點(diǎn)連接情況下的帶寬優(yōu)化問(wèn)題。帶寬優(yōu)化技術(shù)可極大地提高有限元軟件的計(jì)算速度，是一個(gè)實(shí)用有限元軟件不可缺少的功能。本文研究了非節(jié)點(diǎn)連接方式下的自由度情況，對(duì)現(xiàn)有圖論帶寬優(yōu)化算法提出了新的改進(jìn)措施，將帶寬優(yōu)化方法深入到自由度層次，解決了節(jié)點(diǎn)自由度在整體自由度向量中參與個(gè)數(shù)不一致的復(fù)雜帶寬問(wèn)題

6、，實(shí)現(xiàn)了非節(jié)點(diǎn)連接情況下的帶寬優(yōu)化。
　　6.開(kāi)發(fā)了非節(jié)點(diǎn)連接有限元軟件。基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)，在Windows系統(tǒng)平臺(tái)采用Visual C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)一個(gè)具有3D圖形用戶(hù)界面的有限元軟件RCF，對(duì)非節(jié)點(diǎn)連接有限元理論進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。該軟件構(gòu)造了有限元分析的各種類(lèi)層次，具體實(shí)現(xiàn)了16種單元類(lèi)型，可在平面和空間兩種情況下對(duì)各種加筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行非節(jié)點(diǎn)連接有限元建模和分析。
　　7.利用RCF軟件對(duì)多個(gè)典型問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算，驗(yàn)證和展示了非節(jié)點(diǎn)連