非线性问题普遍存在于各工程领域,对工程结构进行非线性分析可有效模拟结构在不同荷载作用下的响应全过程,进而深入掌握结构的受力特点,为结构性能评估提供有效手段。目前,有限元法是常用的结构非线性分析方法,但随着结构规模的增大和分析模型精细化程度的提高,有限元分析会耗费大量的计算资源,尽管计算机技术的不断发展在一定程度上缓解了此问题,但由于非线性分析过程的复杂性,发展高效的非线性分析方法仍是解决该问题的根本途径。许多研究学者利用结构非线性分析的特点提出了高效求解方法,但每种方法均有各自的适用性和局限性。因此,充分认识非线性分析方法的计算性能,发展适用于不同求解问题的高效算法,仍是结构非线性分析的研究重点。在局部非线性问题的求解过程中,结构刚度矩阵仅部分元素发生改变,此时可将每个线性增量计算步中的切线刚度矩阵写成初始刚度矩阵与其低秩修正矩阵和的形式,进而应用数学中快速求解矩阵逆的Woodbury公式高效求解结构响应。这一类非线性分析方法可称为基于Woodbury公式的非线性分析方法(简称Woodbury法)。目前,对此类方法的非线性分析计算性能仅有初步的理论认知,仍缺乏系统的研究。本文以Woodbury法为研究对象,以结构非线性分析为切入点,分别从增量计算步中的线性方程组求解(采用Woodbury公式)和非线性迭代求解两个方面对此类方法的计算性能进行系统研究,包括计算效率定量分析和精度验证。同时,针对其应用局限性提出了改进分析方法,并证明了该方法的正确性和高效性。主要研究内容如下:(1)针对Woodbury法的效率分析展开理论研究。首先,介绍了 Woodbury公式的基本理论,对比了 Woodbury公式和直接分解法求解线性方程组的过程,从理论上说明了 Woodbury公式可高效求解低秩修正后矩阵逆的根本原因。其次,介绍了用Woodbury法进行结构非线性分析的基本理论,总结了此类方法的非线性分析通用求解流程。根据其非线性求解特点,分析了影响此类方法分析效率的主要因素及各因素之间的相互关系。最后,介绍了效率量化分析方法——时间复杂度理论,并结合实例给出了降低算法时间复杂度的措施。(2)针对Woodbury法进行计算效率定量评价,量化了此类方法的适用范围。利用算法时间复杂度理论,建立了 Woodbury法和传统有限元法(采用LDLT分解法)求解每个迭代步线性方程组的时间复杂度分析模型,并进行定量对比分析。结果表明:与传统有限元法相比,Woodbury法对于局部非线性问题有显著效率优势,但随着结构产生非线性范围增大,Woodbury法的效率会显著降低,甚至低于传统有限元法,不再具有高效性。(3)针对Woodbury法的迭代性能展开研究。根据此类方法的迭代特点,采用3阶两点法、4阶两点法及三点法对其迭代求解进行改进,并与传统的牛顿迭代法和修正牛顿法进行理论对比分析。建立了上述五种迭代算法求解Woodbury法平衡方程的时间复杂度分析模型,并定量对比了其余四种迭代算法与牛顿迭代法的效率,得到了各算法的适用条件。通过静力和动力数值算例分析,验证了改进迭代算法的正确性,并从计算精度、收敛性、收敛速度及效率等方面综合对比了五种迭代算法的性能,为实际问题中迭代算法的选择提供理论依据和参考建议,实现了对Woodbury法的迭代性能优化。(4)针对Woodbury法的应用局限性,提出了一种改进的非线性分析方法——近似Woodbury方法(WAM)。通过借鉴近似方法的求解思想,提出了近似Woodbury公式来求解线性迭代步中的结构响应。同时,为了避免引入近似求解而导致迭代计算的收敛速度显著降低,提出了一种新的强制项选择方法,可保证WAM法的迭代计算具有超线性收敛性。建立了 WAM法的时间复杂度分析模型,并与Woodbury法和传统有限元法进行定量对比。理论和数值算例分析结果表明:WAM法采用较少的基向量即可获得较高精度的结果,且迭代收敛速度较快。对于结构进入较大范围非线性的问题,该方法的效率显著高于Woodbury法和传统有限元法,扩大了 Woodbury法的适用范围。