非節(jié)點連接有限元理論及其軟件實現(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增強和改善結構的力學性能。普通鋼筋混凝土、預應力鋼筋混凝土、纖維增強混凝土、型鋼混凝土、鋼管混凝土以及巖體用錨桿進行錨固等多種復合材料和結構形式被廣泛采用。結構的重要性對分析計算提出了更高的要求，建立恰當的有限元模型對加筋結構進行準確模擬，是進行有限元分析首先需要解決的難題。目前，加筋結構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，難以模擬工程實際中

2、的復雜情況。
　　針對目前土木工程加筋結構有限元分析缺乏恰當有限元模型的問題，本文開展了以下方面的研究并取得了相應的成果：
　　1.在考察現(xiàn)有各種加筋結構中加筋構件力學行為的基礎上，指出加筋構件的合理單元模型可以采用桿單元和梁單元，其中梁單元具有綜合的力學性能，適用范圍更為廣泛。
　　2.在考察各種加筋構件與基體材料的連接方式基礎上，提出了自由度層次的非節(jié)點連接方法。基于該方法，加筋單元的各節(jié)點可位于一個或多個其它單元

3、內部，節(jié)點的自由度也無需全部與母單元的位移場一致，既有別于分離式模型通過節(jié)點實現(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母單元。自由度層次的非節(jié)點連接方法建模靈活方便，能準確考慮加筋構件的復雜布置；通過引入節(jié)點坐標系，又可自然模擬加筋構件與基體材料之間的位移不連續(xù)性(如粘結滑移、無粘結和體外布置等)。
　　3.對于采用非節(jié)點連接方法建立的有限元模型，為實現(xiàn)其有限元分析，對平面和空間梁單元、平面和空間等參元的含轉動位移場

4、進行了深入的研究。將單元內一點的轉動分為一點平均轉動和特定方向線元轉動兩種形式，給出了兩種形式的具體計算方法。一點轉動的深入研究，為帶轉動自由度的節(jié)點與其它單元連接提供了理論基礎，使得用梁單元模擬加筋構件得以成功實現(xiàn)。
　　4.建立了非節(jié)點連接有限元分析方法。將內節(jié)點在節(jié)點坐標系下的自由度分為一致的自由度和獨立的自由度，分別用于模擬內節(jié)點與母單元位移場的連續(xù)性和不連續(xù)性，建立了內節(jié)點與母單元之間的粘結彈簧單元用于模擬內節(jié)點與母單元

5、之間的粘結滑移。針對多種單元類型，對非節(jié)點連接情況下的有限元計算公式進行了系統(tǒng)推證，建立了非節(jié)點連接情況下的單元組裝方法。
　　5.研究和解決了非節(jié)點連接情況下的帶寬優(yōu)化問題。帶寬優(yōu)化技術可極大地提高有限元軟件的計算速度，是一個實用有限元軟件不可缺少的功能。本文研究了非節(jié)點連接方式下的自由度情況，對現(xiàn)有圖論帶寬優(yōu)化算法提出了新的改進措施，將帶寬優(yōu)化方法深入到自由度層次，解決了節(jié)點自由度在整體自由度向量中參與個數不一致的復雜帶寬問題

6、，實現(xiàn)了非節(jié)點連接情況下的帶寬優(yōu)化。
　　6.開發(fā)了非節(jié)點連接有限元軟件?；诿嫦驅ο蠹夹g，在Windows系統(tǒng)平臺采用Visual C++語言開發(fā)一個具有3D圖形用戶界面的有限元軟件RCF，對非節(jié)點連接有限元理論進行了實現(xiàn)。該軟件構造了有限元分析的各種類層次，具體實現(xiàn)了16種單元類型，可在平面和空間兩種情況下對各種加筋結構進行非節(jié)點連接有限元建模和分析。
　　7.利用RCF軟件對多個典型問題進行了計算，驗證和展示了非節(jié)點連