节点梯度光滑有限元配点法

配点法构造简单、计算高效, 但需要用到数值离散形函数的高阶梯度,而传统有限元形函数的梯度在单元边界处通常仅具有C$^{0}$连续性,因此无法直接用于配点法分析. 本文通过引入有限元形函数的光滑梯度,提出了节点梯度光滑有限元配点法. 首先基于广义梯度光滑方法,定义了有限元形函数在节点处的一阶光滑梯度值,然后以有限元形函数为核函数构造了有限元形函数的一阶光滑梯度,进而对一阶光滑梯度直接求导并用一阶光滑梯度替换有限元形函数的标准梯度,即完成了有限元形函数二阶光滑梯度的构造.文中以线性有限元形函数为基础的理论分析表明,其光滑梯度不仅满足传统线性有限元形函数梯度对应的一阶一致性条件,而且在均布网格假定下满足更高一阶的二阶一致性条件.因此与传统线性有限元法相比,基于线性形函数的节点梯度光滑有限元法的$L_{2}$和$H_{1}$误差均具有二次精度,即其$H_{1}$误差收敛阶次比传统有限元法高一阶, 呈现超收敛特性.文中通过典型算例验证了节点梯度光滑有限元配点法的精度和收敛性,特别是其$H_{1}$或能量误差的精度和收敛率都明显高于传统有限元法.      

ANCF方法在小变形问题中的应用研究

绝对节点坐标法(Absolute Nodal Coordinate Formulation,ANCF)具有不存在小变形、小转动假设,质量矩阵为常数矩阵等优点,但由于弯曲应变与轴向应变不一致,带来剪切闭锁问题.本文基于小变形假设,利用ANCF方法得到两节点梁的刚度矩阵,进而将该方法推广到多节点梁,解得多节点梁的刚度矩阵.利用Maple软件编制求解程序,求解矩形截面梁在无约束条件下的固有频率及外伸梁的末端静挠度.通过与ABAQUS仿真结果及解析解对比发现:当梁上节点数较少时,用ANCF方法得到的结果相较于仿真结果、解析解较为"刚硬","剪切闭锁"现象较为严重.随着节点数的增加,ANCF方法得到的计算结果与仿真结果、解析解趋于一致.当梁上节点数增加到31时,对于自由模态的前4阶固有频率,ANCF方法的求解结果与解析解之间的误差均小于3‰;对端部带有集中质量的外伸梁的末端静挠度,ANCF方法的求解结果与解析解之间的误差均小于0.5‰,剪切闭锁问题得到有效解决.     

内共振条件下轴向运动梁磁弹性超谐共振研究

以载流导线激发的磁场中轴向运动梁为研究对象,同时考虑外激励力作用,推导出梁的磁弹性非线性振动方程．通过位移函数的设定和伽辽金积分法,将非线性振动方程离散为常微分方程组．采用多尺度法得到系统的近似解析解．应用Matlab 和Mathematica 软件求解幅频响应方程,并对稳态解进行稳定性判定．通过具体算例得到前两阶假设模态的响应幅值随不同参数的变化规律．结果发现：系统在内共振条件下发生超谐波共振时,二阶假设模态幅值明显小于一阶;随着外激励的增大,多值解区域范围明显缩小;随着电流强度增加,振动幅值减小,表明载流导线能够起到控制共振的作用．     

弹性连接旋转柔性梁动力学分析

采用Chebyshev 谱方法对考虑根部连接弹性的平面内旋转柔性梁动力学特性进行研究. 基于Gauss-Lobatto 节点与Chebyshev 多项式方法对柔性梁变形场进行离散,通过投影矩阵法施加固定及弹性连接边界条件. 利用Chebyshev 谱方法获得了系统固有频率和模态振型数值解,通过与有限元方法及加权残余法的比较,验证了方法的有效性. 分析了弹性连接刚度、角速度比率、系统径长比及梁的长细比等参数对系统固有频率及模态振型的影响. 研究发现:由于系统弯曲模态、拉伸模态的频率随各参数的变化规律不一致,将出现频率转向与振型转换现象;随着弹性连接刚度、角速度比率及系统径长比的增大,低阶弯曲模态频率增大并超过高阶拉伸模态频率,随着梁的长细比的增大,低阶拉伸模态频率增大并超过高阶弯曲模态频率.      

变高度简支箱梁剪力滞半解析解

基于结构动力学中的Ritz向量叠加法基本原理，建立了求解静力学中变高度简支箱梁剪力滞效应半解析解的分析方法．该方法以相同跨度、相同边界条件等截面Euler梁的振动模态及其导数为Ritz基函数，将箱梁的竖向挠度在模态空间线性展开，将剪切转角的最大差值在模态导数的空间线性展开，从而将变系数剪力滞效应微分方程组转变为线性代数方程组进行求解．随后分别进行截面高度为常量、线性衰减和抛物线变化箱梁的剪力滞计算．计算结果表明，截面高度变化越小，Ritz法收敛越快；随着参与计算模态阶数的增加，Ritz法的计算结果逐步收敛到解析解；采用10阶以上模态进行箱梁剪力滞系数的计算，计算误差小于5 %．     

径向基点插值法在旋转柔性梁动力学中的应用

将无网格径向基点插值法用于旋转柔性梁的动力学分析. 利用无网格方法对柔性梁的变形场进行离散,考虑梁的纵向拉伸变形和横向弯曲变形,并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合项,运用第二类拉格朗日方程推导得到系统刚柔耦合动力学方程. 将无网格径向基点插值法的仿真结果有限元法和假设模态法进行比较分析,说明假设模态法的局限性,并表明其作为一种柔性体离散方法在刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性,并讨论了径向基形状参数的影响. 同时运用3 种求解系统动力学方程的方法:纽马克方法、4阶龙格库塔法、亚当姆斯预报校正法,并比较各方法的计算效率, 结果表明纽马克方法最快.      

A MODAL TESTING METHOD FOR CANTILEVER BEAM1)

基于欧拉-伯努利梁理论得到悬臂梁自由振动的振型函数。通过数值计算得出实验用的悬臂梁前五阶振型的节点位置及其与梁长的比值。考虑传感器对悬臂梁固有频率的影响,建立梁-传感器模型进行仿真分析并得出悬臂梁前五阶固有频率。基于节点位置和测点位置,在实验中选择激励点。将具体实验的结果与梁-传感器仿真模型结果进行对比,通过前五阶固有频率的误差分析,发现仿真分析结果与实验结果误差最高为 1.3%。研究完整地叙述了悬臂梁的模态测试流程,可为工程技术人员的模态测试起一定的指导作用。     

一种悬臂梁模态测试方法

基于欧拉–伯努利梁理论得到悬臂梁自由振动的振型函数。通过数值计算得出实验用的悬臂梁前五阶振型的节点位置及其与梁长的比值。考虑传感器对悬臂梁固有频率的影响,建立梁–传感器模型进行仿真分析并得出悬臂梁前五阶固有频率。基于节点位置和测点位置,在实验中选择激励点。将具体实验的结果与梁–传感器仿真模型结果进行对比,通过前五阶固有频率的误差分析,发现仿真分析结果与实验结果误差最高为1.3%。研究完整地叙述了悬臂梁的模态测试流程,可为工程技术人员的模态测试起一定的指导作用。     

复合夹层梁瞬态响应的谱有限元法

采用谱有限元法进行复合夹层梁的瞬态响应分析．该方法基于复合夹层梁的六阶运动微分方程,以其波动解作为动力位移形函数,根据标准有限元策略来构建复合夹层梁的动刚度矩阵．在频域内,夹心粘弹性材料的频率相关性采用复模量模型来模拟,进而利用快速傅立叶变换技术(FFT),得到时域内复合夹层梁的瞬态响应分析结果．最后以两端固支夹层梁为例,对其进行了矩形脉冲荷载下的动力响应分析,并与通用有限元程序NASTRAN的计算结果进行了对比,两者吻合良好．     

无限粘弹介质中圆孔时变问题的解析分析

本文推导粘弹介质中圆孔孔径时变时的应力和位移.由粘弹解与弹性解的对应关系得到粘弹时变应力解.用直接解方程法求径向位移,最终归结为求解关于待定函数的l阶非齐次微分方程.将半径时变函数泰勒展开,用幂级数解法得到一般情况下的解.在寻找定解条件时,采用了对待定函数的光滑化处理,认为在t=0的微小邻域内函数仍满足微分方程,通过积分得到与待定系数数目相同的定解条件,从而获得本问题径向位移解析解.对Maxwell粘弹模型的求解证明了该法的可靠性.文中解适用于任意粘弹模型和孔径任意时变的情况.     

A node-based smoothed point interpolation method for dynamic analysis of rotating flexible beams

We proposed a mesh-free method, the called node-based smoothed point interpolation method (NS-PIM), for dynamic analysis of rotating beams. A gradient smoothing technique is used, and the requirements on the consistence of the displacement functions are further weakened. In static problems, the beams with three types of boundary conditions are analyzed, and the results are compared with the exact solution, which shows the effectiveness of this method and can provide an upper bound solution for the deflection. This means that the NS-PIM makes the system soften. The NS-PIM is then further extended for solving a rigid-flexible coupled system dynamics problem, considering a rotating flexible cantilever beam. In this case, the rotating flexible cantilever beam considers not only the transverse deformations, but also the longitudinal deformations. The rigid-flexible coupled dynamic equations of the system are derived via employing Lagrange’s equations of the second type. Simulation results of the NS-PIM are compared with those obtained using finite element method (FEM) and assumed mode method. It is found that compared with FEM, the NS-PIM has anti-ill solving ability under the same calculation conditions.     

基于径向基点插值法的旋转Mindlin板高次刚柔耦合动力学模型

将无网格径向基点插值法(radial point interpolation method,RPIM)用于中心刚体?旋转柔性板的动力学分析.基于浮动坐标系方法和一阶剪切变形理论即Mindlin板理论,考虑剪切变形的影响,并计入板面内变形的非线性耦合变形项,采用径向基点插值法描述板的变形场,保留动能中有关非线性耦合变形项...     

旋转运动柔性梁的假设模态方法研究

采用假设模态法对旋转运动柔性梁的动力特性进行研究，给出简化的控制模型. 首先采用Hamilton原理和假设模态离散化方法，在计入柔性梁由于横向变形而引起的轴向变形的二阶耦合量的条件下，推导出基于柔性梁变形位移场一阶完备的一次近似耦合模型，然后对该模型进行简化，忽略柔性梁纵向变形的影响，给出一次近似简化模型，最后将采用假设模态离散化方法的结果与采用有限元离散化方法的结果进行了对比研究. 研究中考虑了两种情况：非惯性系下的动力特性研究和系统大范围运动为未知的动力特性研究. 研究结果显示，当系统大范围运动为高速时，在假设模态离散化方法中应增加模态数目，较少的模态数目将导致较大误差. 一次近似简化模型能够较好地反映出系统的动力学行为，可用于主动控制设计的研究.     

考虑液面波动和液体压缩时一侧受液作用悬臂梁的横振分析

本文分析一侧部分受有液体作用悬臂梁的横向自由振动，同时考虑了液面波动和液体可压缩性对悬臂梁自振特性的影响。利用一组广义三角级数的正交完备性，求得了悬臂梁与液体耦联振动的振型函数和频率方程的精确解析解，最后给出了几个数值算例。     

SIZE OPTIMIZATION FOR CANTILEVER I-BEAM BASED ON VARIATIONAL METHOD

以变分方法为工具,研究了分布载荷下工字型悬臂梁的尺寸优化问题,给出了在强度和位移约束下梁缘条沿展向的宽度函数,并简要介绍了优化准则法和多岛遗传算法. 以平直机翼为工程实例,将之简化为一个工字型悬臂梁,分别采用该3 种方法进行优化设计. 结果表明变分法不仅效率高,而且给出了尺寸分布的函数,这对飞行器概念设计阶段的机翼结构设计具有较大的指导意义.     

DISCRETE GRADIENT METHOD FOR IMAGE-BASED BIOMECHANICAL STRESS ANALYSIS 1)

介绍一种可用于计算生物力学的离散梯度方法,此方法可利用离散的点云模型直接进行数值模拟分析而不需要传统的几何模型。将离散梯度法应用于点云模型需要首先确定模型中点之间的相邻关系和每个点所分配的材料体积,然后通过用广义的有限差分的形式定义了梯度插值向量,并以此向量来近似函数在每个离散点上的梯度。从弱形式出发,推导建立了适用于弹性固体大变形问题的求解器,并具有和有限元法中双线性四边形单元一致的准确性和收敛性。着重描述了一种可以从医学图像中快速提取材料点并建立点云模型的方法,以及利用三角划分和重心划分确定材料点之间的相邻关系和每个材料点体积的具体过程。通过腹主动脉瘤膨胀的静力学模拟分析,展示了离散梯度法的实用性和准确性。该算法实现了基于医学图像进行生物力学分析的过程自动化,为病体特异性的研究和治疗提供便利和实用的工具。     

自然单元法研究进展

自然单元法是一种基于Voronoi图和Delaunay三角化几何结构,以自然邻点插值为试函数的一种新型数值方法.其既具有无网格方法和经典有限元方法的优点,又克服了两者的一些缺陷,是一种发展前景广阔的求解微分方程的数值方法.自然单元法的形函数满足插值性质,可以像有限元法一样直接施加本质边界条件,不存在基于移动最小二乘拟合的无网格方法不能直接施加本质边界条件的难题.由于自然单元法是无网格方法,可以方便处理有限元方法较难处理的一些问题,例如移动边界和大变形等问题.自然单元法与其他数值方法的最根本区别于其插值格式的不同.将自然邻点插值用于Galerkin过程,就得到基于Voronoi结构的自然单元Galerkin法.自然邻点插值有自然邻点Sibson插值和Laplace插值(非Sibson插值)两种.Laplace插值比Sibson插值在计算上要简单的多,并且不论对凸的或非凸的区域都能精确施加本质边界条件.以Laplace插值为试函数的自然单元法在数值实施上比以Sibson插值为试函数的自然单元法简单.本文对基于Voronoi结构的自然邻点插值和自然单元法的基本思想作了介绍,综述了国内外关于自然单元法的研究成果,总结了自然单元法的优点和尚需解决的问题.      

Crack identification method in beam-like structures using changes in experimentally measured frequencies and Particle Swarm Optimization

In this paper, a technique is presented for the detection and localization of an open crack in beam-like structures using experimentally measured natural frequencies and the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The technique considers the variation in local flexibility near the crack. The natural frequencies of a cracked beam are determined experimentally and numerically using the Finite Element Method (FEM). The optimization algorithm is programmed in MATLAB. The algorithm is used to estimate the location and severity of a crack by minimizing the differences between measured and calculated frequencies. The method is verified using experimentally measured data on a cantilever steel beam. The Fourier transform is adopted to improve the frequency resolution. The results demonstrate the good accuracy of the proposed technique.     

基于自然单元法的极限上限分析

自然单元法是一种基于离散点集的Voronoi图和Delaunay三角化几何信息,以自然邻近插值为试函数的新型数值方法.相对于一般无网格法中常采用的移动最小二乘近似而言,自然邻近插值不涉及到复杂的矩阵求逆运算,更不需要任何人为的参数,可以提高计算效率.采用该方法构造的形函数满足Delta函数的性质,可以像有限元一样准确地施加边界条件,可以方便处理场函数及其导数的不连续性的问题.论文将自然单元法应用到极限上限分析中,编制了相应的计算程序,通过极限分析的几个经典算例进行了验证,同时采用类似于分片应力磨平的方式,编制相应的磨平程序,由计算点上的塑性耗散功外推得到了节点上的塑性耗散功的值,从而画出了极限状态下结构的塑性耗散功的分布云图.计算结果表明采用自然单元法求解极限上限分析具有稳定性好,精度高,收敛快等优点.