基于能量守恒积分方法的结构非线性分析

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无论是混合试验还是有限元数值分析,逐步积分方法都是关键的计算方法,但是各个积分方法却具有不同的稳定性和精度特性。判断一个积分方法在线性和非线性情况下的稳定性可以采用能量准则,那么基于能量准则来建立平衡方程的逐步积分方法就可以具有无条件稳定性的特性,因此能量守恒积分方法受到越来越多的关注。但是能量守恒积分方法在实际工程中的应用仅限于航天领域,并没有应用到土木工程领域中。因此,本文研究能量守恒积分方法在大跨空间结构中的应用,主要研究内容如下:1.对能量守恒积分方法与平均加速度方法进行了积分方法能量的研究,从能量的角度判断平均加速度方法与能量守恒积分方法的数值稳定性。分析结果表明能量守恒积分方法是一种无条件稳定的方法,而平均加速度方法则存在能量增量,是一种条件稳定的积分方法。2.为了将能量守恒积分方法应用到土木工程领域,本文将能量守恒积分方法作为子程序添加到OpenSees中,通过简单的单摆算例验证了编程的正确性和有效性。分析时采用了能量守恒积分方法、平均加速度方法以及梯度法,通过能量准则来判断积分方法的稳定性。结果表明能量守恒逐步积分方法在每个积分步都不存在能量增量,即能量增量为0,因此是一种无条件稳定的积分方法;平均加速度方法能量增量不为0,为条件稳定;梯度法能量增量为负,能量有界,因而无条件稳定。3.为了研究能量守恒积分方法在大跨空间结构中的应用,分别对平面桁架结构、四边支承网架结构以及一个实际工程加油站屋盖的网架结构进行分析,结果表明,本课题完成的能量守恒积分方法子程序可以完成二维或者三维的大跨空间结构动力分析。主要分析几种非线性因素对积分方法稳定性的影响,结果显示,平均加速度方法是条件稳定的,而能量守恒积分方法则是无条件稳定。并且,在考虑材料非线性的时候,材料非线性越大,平均加速度方法计算的误差越小。另外,当考虑弹性屈曲的时候,随着屈曲力的减小,平均加速度方法计算误差增大。最后,对于考虑几何非线性的平均加速度方法,提出了使用的稳定条件,并通过算例进行了验证,验证了方法的可行性和有效性。
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