二次规划的混合能方法及杆系结构弹塑性分析

基于混合能理论构造了二次规划问题求解的新算法，并在杆系弹塑性增量分析中进行了成功的应用。所提出的算法一改传统的对单一规划变量（如位移或应力等）的求解策略，将问题演变成混合变量的形式，在混合空间下对问题进行算法构造，使问题的下一个增量步的求解可以充分利用增量步前的信息，由此极大地提高了算法的求解效率，对杆系弹塑性问题的数值分析充分地证实了这一点。     

广义几何规划二阶缩并的原算法及其在结构优化中的应用*

本文采用函数单项高阶展式,将广义几何规划原问题在log-log意义下化为序列二次规划求解,得到广义几何规划的GGP-LOG-SQP算法,在Cromemco微型机上予以实现,并用此求解了一些结构优化中的广义几何规划问题,文中给出了一些算例。     

弹塑性损伤本构关系的显式积分算法研究

首先引入弹塑性损伤本构关系,分别从材料软化与残余应变两个方面,描述伪脆性材料的非线性行为.针对结构动力分析中的强非线性问题,给出了弹塑性损伤本构关系的显式积分算法.算法中引入算子分解的思想,将弹塑性本构关系分成塑性与损伤两个模块.首先求解塑性模块,根据有效应空间塑性演化公式,采用前进欧拉算法,直接构造塑性演化的预测值,并且根据屈服函数的漂移构造了误差限公式,作为衡量显式算法精度的指标.将塑性模块求解的结果代入损伤模块,可以方便地求得损伤变量的演化,并最终得到更新后的应力.整个求解过程不需要迭代,可最大程度的算法稳定性.将论文建立的本构关系显式算法与结构分析显式算法结合,构造了结构显式分析方法,并模拟了两个经典算例,算例结果验证了论文方法的有效性.     

弹塑性分析的线性互补问题

为了实现弹塑性分析的非迭代类算法，本文从一条简捷而严密的途径导出了弹塑性边值问题的线性互补方程，与其它非迭代类算法相比，这里所建立的线性互补问题的规模要小得多。文中讨论了解的适定性的问题，给出了求解工程问题的实用算法和若干算例。     

求解一类可分离凸规划的对偶显式模型DP-EM方法

推导对偶目标函数的精确显式表达式,可选用更多成熟高效的求解方法,从而进一步提高了非线性规划对偶理论求解结构拓扑优化问题的效率.研究工作来源于非线性凸规划同其对偶规划的间隙为零,可以等价转化为对偶问题求解,通常可以大大地缩小问题的规模,可是二者不具有显式关系却影响了对偶解法的应用.所幸的是,结构优化当中一大类问题包括连续体结构拓扑优化问题,不仅具有凸性,而且具有变量可分离性,于是原变量和对偶变量之间有了显式关系,因此,对偶解法成了38年来被应用的有效方法之一.然而长期以来,对偶问题的目标函数并不是显式,这缘于含参数的极小化问题导致目标函数为隐式表达,常见的显式化方法是进行二阶近似.本文突破了对偶问题难以显式化只能采用近似显式的定势,将我们提出的"对偶规划-显式模型"(DP-EM)方法应用于连续体结构拓扑优化,并与对偶序列二次规划(DSQP)算法及移动渐近线(MMA)算法为求解器的方法进行计算效率对比,结果显示:(1)MMA算法比DP-EM算法和DSQP算法的外部迭代次数均多;(2)DP-EM算法与DSQP算法外循环次数相同,而内循环数显著减少.说明了DP-EM算法具有显式对偶函数的优势.     

参变量变分原理的提出、发展与应用

参变量变分原理及其参数二次规划算法是由钟万勰院士1985年针对弹性接触边界非线性问题首次提出来的,经过将近40年的不断发展,目前参变量变分原理已经成功应用于各个领域,其中包括弹塑性分析、接触问题、润滑力学、岩土力学、变刚度杆系结构、先进材料性能分析、材料的蠕变与损伤、柔性结构力学和LQ最优控制等各个工程领域。本文首先回顾了参变量变分原理的起源,介绍了参变量变分原理的基本概念,然后以弹塑性分析问题为例,阐明建立参变量变分原理的理论模型以及实现数值参数二次规划求解原理,最后详细回顾了参变量变分原理的基本理论与相应数值算法在各个领域的发展及其工程应用,展示了参变量变分原理在求解各类非线性问题的特色与优势。     

求解弹塑性问题时考虑材料可压缩性的影响

求解弹塑性问题时,由于塑性应变的体积不可压缩,而弹性体积应变是可压缩的,求解时就会遇到麻烦。为了求解方便起见,很多著作在所举的弹塑性问题例子中都不考虑材料可压缩性的影响,而就假定材料的弹性泊松比v等于1/2。本文研究采用真实的材料弹性泊松比后对求解方法与结果的一些影响,并对三类问题作了具体的分析。1.等向强化加载条件材料受简单拉伸而进入弹塑性阶段后,我们仍然把横向应变ε_x与轴向应变ε_z的比值记为v     

解Drucker-Prager塑性问题的二阶锥互补法

基于经典弹塑性理论中多数屈服准则具有凸锥数学结构的事实,将在大规模计算中更具潜力的锥规划法引入弹塑性分析。考虑到弹塑性流动理论有关联与非关联之分,本文提出利用锥型互补法求解弹塑性问题。具体以Drucker-Prager弹塑性模型为例,首先利用最大塑性功耗散原理和圆锥对偶理论等工具,建立了弹塑性本构方程的等价二阶锥互补模型;然后,基于参变量变分原理和有限元技术,建立了弹塑性增量分析的二阶锥线性互补模型;最后,利用一类半光滑Newton算法求解。数值算例表明了本文方法的有效性。     

Mohr-Coulomb准则主应力回映算法及在地基问题的应用

针对Mohr-Coulomb准则在应力空间中存在奇异点的问题,提出了主应力空间应力回映算法。分析了多屈服面下塑性流动法则,给出了应力更新过程中应力回映区域的判定方法,推导了不同映射区域下塑性因子的Newton-Raphson迭代求解式和应力更新方程,建立了对应的一致切线模量表达式。利用C++语言,编制了弹塑性有限元求解程序,并对岩土地基问题进行求解,计算结果的比对证明了所编程序的可行性和精确性。     

结构性软土弹塑性模型的隐式算法实现

对于考虑软土结构性的高度非线性弹塑性本构模型,在采用Newton-CPPM隐式算法对模型进行数值实现的过程中容易出现Jacobian矩阵奇异和不收敛问题。为此,本文提出了两种改进隐式算法。考虑到Newton-CPPM隐式算法是局部收敛性算法,因此引入大范围收敛的同伦延拓算法对Newton-CPPM算法的迭代初值进行改进,形成了同伦-Newton-CPPM算法。考虑到Newton-CPPM隐式算法单个迭代步的计算量过大,因此借鉴显式算法的思想提出一种两阶段迭代算法,第一阶段先求出一致性参数,第二阶段采用类似于显示算法的方法进行回代得出状态变量的值。然后,以考虑软土结构性的SANICLAY模型为例,从弹塑性本构模型的组成和算法的特点两个角度分析了引起Jacobian矩阵奇异和不收敛问题的原因,并且在单单元计算的基础上,对全显式算法、传统隐式算法和两种改进隐式算法在计算收敛性、计算精度和计算效率方面进行了对比。最后,将同伦-Newton-CPPM算法和传统隐式算法用于地基承载力多单元计算中,结果表明该算法能够有效地解决Jacobian矩阵奇异和不收敛问题。      

粘弹塑性统一本构模型的参数评估

针对粘弹塑性统一本构模型参效众多的特点和传统评估参效方法的缺点，应用非线性最小二秉法与敏感系数分析方法相结合，提出了一个比较系统的对粘弹塑性统一本构模型的参数进行评估的方法。对铜合金在室温下不同加载速率的试验曲线进行参数适配，表明本方法的合理性与正确性。为粘弹塑性统一本构模型的工程应用奠定了基础。     

A nonlinear programming approach to kinematic shakedown analysis of frictional materials

This paper develops a novel nonlinear numerical method to perform shakedown analysis of structures subjected to variable loads by means of nonlinear programming techniques and the displacement-based finite element method. The analysis is based on a general yield function which can take the form of most soil yield criteria (e.g. the Mohr–Coulomb or Drucker–Prager criterion). Using an associated flow rule, a general yield criterion can be directly introduced into the kinematic theorem of shakedown analysis without linearization. The plastic dissipation power can then be expressed in terms of the kinematically admissible velocity and a nonlinear formulation is obtained. By means of nonlinear mathematical programming techniques and the finite element method, a numerical model for kinematic shakedown analysis is developed as a nonlinear mathematical programming problem subject to only a small number of equality constraints. The objective function corresponds to the plastic dissipation power which is to be minimized and an upper bound to the shakedown load can be calculated. An effective, direct iterative algorithm is then proposed to solve the resulting nonlinear programming problem. The calculation is based on the kinematically admissible velocity with one-step calculation of the elastic stress field. Only a small number of equality constraints are introduced and the computational effort is very modest. The effectiveness and efficiency of the proposed numerical method have been validated by several numerical examples.     

硬化系数对界面端弹塑性奇异应力场的影响

本文利用弹塑性边界元分析方法,对具有不同硬化系数的线性硬化结合材料界面端进行了计算,分析结果表明,当硬化系数较大时,界面附近的弹塑怀应力与将弹塑性本构关系简化为线性后得到的理论结果相接近,而当硬化系数相对较少时,理论分析的奇异应力场的主控区变得非常小,在屈服域的绝大部分区间,应力奇异性与理论解有较大区别,本文的结果还表明,硬化系数越小,过渡区（弹塑性厅异应力场支配区到屈服边界）越大,屈服区域应力分布变得平坦,在小规模屈服条件异次数一致）,即可用弹性厅异应力场来近似地描述小规模屈服时的弹塑性界面端,但应力强度系数则比弹性时略大,且随硬化系数的减小而增大。     

自适应分析在确定裂纹尖端塑性区中的应用

在分析裂纹扩展及材料强度时对塑性区的估算是很重要的,本文提出采用自适应有限元分析来确定裂纹尖端塑性区的方法,计算结果表明这种方法通过网格自动加密能够有效地跟踪出弹塑性的交界面。     

Elastoplastic Analysis with Limited Plastic Deformations and Displacements*

ABSTRACT

This paper presents solution methods for elastoplastic and shakedown analysis of linearly elastic, perfectly plastic bodies for which the conventional classical formulations of these problems are completed by constraints on overall plastic deformation and elastoplastic displacement. The methods are described in terms of nonlinear mathematical programming and provide solutions when the plastic reserves of the body are not fully exhausted, and the plastic performance and the plastic deformations are controlled. Application of the method is illustrated by an example.     

Shakedown reduced kinematic formulation,separated collapse modes,and numerical implementation

Our shakedown reduced kinematic formulation is developed to solve some typical plane stress problems, using finite element method. Whenever the comparisons are available, our results agree with the available ones in the literature. The advantage of our approach is its simplicity, computational effectiveness, and the separation of collapse modes for possible different treatments. Second-order cone programming developed for kinematic plastic limit analysis is effectively implemented to study the incremental plasticity collapse mode. The approach is ready to be used to solve general shakedown problems, including those for elastic–plastic kinematic hardening materials and under dynamic loading.     

Analysis of elastic and plastic deformation associated with indentation testing of thin films on substrates

A study has been made of the elastic and plastic deformation associated with submicrometer indentation of thin films on substrates using the finite element method. The effects of the elastic and plastic properties of both the film and substrate on the hardness of the film/substrate composite are studied by determining the average pressure under the indenter as a function of the indentation depth. Calculations have been made for film/substrate combinations for which the substrate is either harder or softer than the film and for combinations for which the substrate is either stiffer or more compliant than the film. It is found, as expected, that the hardness increases with indentation depth when either the yield strength or the elastic modulus of the substrate is higher than that of the film. Correspondingly, the hardness decreases with indentation depth when the yield strength or elastic modulus of the substrate is lower than that of the film. Functional equations have been developed to predict the hardness variation with depth under these different conditions. Finite element simulation of the unloading portion of the load displacement curve permits a determination of the elastic compliance of the film/substrate composite as a function of indentation depth. The elastic properties of the film can be separated from those of the substrate using this information. The results are in good agreement with King's analytical treatment of this problem.     

SOLUTION AND ANALYSIS OF CIRCULAR TUNNEL FOR THE STRAIN-SOFTENING ROCK MASSES CONSIDERING THE AXIAL IN SITU STRESS AND SEEPAGE FORCE

为了研究轴向应力和渗透力共同作用下软化围岩的应力与位移的变化及分布规律. 基于摩尔-库伦屈服准则及应力-应变软化模型并考虑轴向应力和渗透力的共同作用,将整个塑性区分为有限个同心圆环,以弹塑性交界面处的应力、应变为初始值,并采用微小径向应力增量逐步求出各个圆环上的应力应变及塑性区半径,据此重构了考虑渗透力和轴向力共同作用下软化围岩应力应变特性的逐步求解方法. 利用该方法,推导出软化围岩应力应变的解. 计算结果表明：在考虑轴向应力作用下,塑性区半径和隧道围岩位移都随着渗透力的增加而有所减小;当轴向应力为最小主应力时,渗透力的影响更为显著. 这说明渗透力的存在对于隧道围岩的应力应变分布以及塑性半径和围岩的位移有不可忽略的影响.     

考虑轴向力和渗透力时软化围岩隧道解析

为了研究轴向应力和渗透力共同作用下软化围岩的应力与位移的变化及分布规律. 基于摩尔-库伦屈服准则及应力-应变软化模型并考虑轴向应力和渗透力的共同作用,将整个塑性区分为有限个同心圆环,以弹塑性交界面处的应力、应变为初始值,并采用微小径向应力增量逐步求出各个圆环上的应力应变及塑性区半径,据此重构了考虑渗透力和轴向力共同作用下软化围岩应力应变特性的逐步求解方法. 利用该方法,推导出软化围岩应力应变的解. 计算结果表明:在考虑轴向应力作用下,塑性区半径和隧道围岩位移都随着渗透力的增加而有所减小;当轴向应力为最小主应力时,渗透力的影响更为显著. 这说明渗透力的存在对于隧道围岩的应力应变分布以及塑性半径和围岩的位移有不可忽略的影响.