非线性单自由度系统的Newmark-beta方法

预测受外部动力作用的单自由度阻尼质量弹簧系统的非线性(或线性)响应。

求解粘性阻尼质量弹簧系统的常微分运动方程,该系统在受到任意外力时会表现出非线性,周期性,力-位移行为。导数通过使用[1]中提出的Newmark-beta方法随时间隐式积分。然后,将控制方程的完整数值形式表示为残差,并使用从[2]中获得的Newton-Raphson算法找到解。弹簧的材料特性可以是线性的也可以是非线性的,因为牛顿法应该以任何一种方式收敛。

通过使用主干曲线定义恢复力与位移之间的非线性关系。数据作为一组必须严格为正的横坐标对输入。然后,用户提供的骨架通过水平轴和垂直轴反射,从而使关系变为各向同性,即,无论弹簧是拉伸还是压缩,该关系都是相同的。假定第一个数据点为初始弹性屈服点。如果系统在屈服时开始恢复,则主干将从其原始屈服点移至当前位移。这种移位产生了应变硬化的非常基本的形式。但是,它无法捕捉到循环应变硬化和降解的更实际效果。

该脚本分为三个主要部分:输入参数,源计算和后处理。基本用户唯一需要修改的是“输入参数”部分。(可选)他们还可以在“后处理”部分中执行辅助计算。提供了两个演示:steelBar.m和chopraEx55.m。前者是非细长钢筋的模型,该钢筋在单轴压缩和拉伸下变形,并支撑相对较大的质量。其主干曲线代表20摄氏度下的ASTM A992钢,是根据[3]生成的。后面的演示准确地从[1]中重现了示例5.5,并用作对此代码的验证。

我已经直接在文件中解释了几乎所有代码,包括一些输入的说明。我还将讨论重要的建模假设和某些限制,因此请务必阅读评论。

[1]乔普拉,AK。(2014)。“结构动力学,理论和在地震工程中的应用 :全球版。” 培生教育。第四版。
[2] Burden,RL,Faires,DJ。(1993)。“数值分析。” PWS出版公司。第五版。
[3]蔡W,马洛娃(MA),恩格哈特(MD)。(2017)。“ ASTM A992 钢的真实应力-应变曲线, 用于在高温下进行断裂模拟。” 建筑钢铁研究杂志。

代码获取