基于平面弹性—板弯曲模拟关系的薄板有限元列式——从膜单元到薄板单元

本文全面讨论了基于平面弹性－－板弯曲模拟关系的薄板有限单元的理论和方法,由于直接对弯矩函数进行插值,c1连续性的要求得以自然避免,薄板单元可以直接在c0连续的层面上加以构造,无需借用Reissner-Mindlin的中厚板理论,由之引发的闭锁问题也得以避免,本文系统地阐明了平面弹性膜单元与薄板弯曲单元的对应关系,及由平面弹性膜单元的向薄板弯曲单元转换的一整套方法。为薄板单元的构造提供了一条新的有余的途径,文中给出了对应于平面弹性膜单元CST,LST,Q4,Q8的薄板单元,我们称之为MPS板单元,MPS板元以挠度和转角为自由度,便于实际应用,和其它板单元相比具有非常高的精度。     

基于平面偶应力-Reissner/Mindlin板比拟的偶应力有限元

偶应力理论的有限元列式面临本质性的C1连续性困难. 平面偶应力理论和Reissner/Mindlin板弯曲理论之间的比拟关系表明这两个理论系统的有 限元的同一性，而R/M板有限元并不存在C1连续性困难. 因此，研究将R/M板单元转化为具有一般位移自由度的平面偶应力单元的一般方法. 根据这一方法，将典型的8节点Serendipity型R/M板单元Q8S转化为一个4节点12 自由度的四边形平面偶应力单元，数值结果表明该单元具有良好的精度和收敛性     

半解析板—梁超级元

本文构造了一种半解析板－梁超级元，它由板－梁超级弯曲元与板－梁超级平面元组合成。由于采用解析型的染函数作为超级元弯曲位移模式，因而这一超级元具有精度高、自由度少的优点。用超级元法对由大量板和梁构件组成的复杂结构进行整体分析、尤其是进行动力分析时，这一超级元是一种高效的单元，文中导出了这一超级元的全部列式。     

半解析板－梁超级元

本文构造了一种半解析板－梁超级元，它由板－梁超级弯曲元与板－梁超级平面元组合成。由于采用解析型的梁函数作为超级元弯曲位移模式，因而这一超级元具有精度高、自由度少的优点。用超级元法对由大量板和梁构件组成的复杂结构进行整体分析、尤其是进行动力分析时，这一超级元是一种高效的单元。文中导出了这一超级元的全部列式。     

一类新变量的Reissner板弯曲边界元法

文［４］导出了二维弹性力学平面问题的一类新型边界积分方程，本文将该理论和方法推广到三变量的Ｒｅｉｓｓｎｅｒ板弯曲中，给出边界场变量含广义位移和新型广义力的边界积分方程。从而边界弯矩应力张量可直接由离散边界积分方程求出。     

用于多种夹层板等效的有限元分析法

针对夹层板力学性能解析法难于计算复杂结构的夹层板且通用性差的问题,本文采用有限元分析法研究了夹层板性能的等效方法。对夹层板的代表体单元模型施加位移约束,模拟弯曲变形时线性独立的应变分量和弯曲内力;根据夹层板内力与应变的本构关系,求出刚度矩阵;最后由刚度矩阵得出宏观等效弹性常数,从而把夹层板等效成连续材料的单层板单元。将该方法与解析法计算结果进行比较得到的夹层板单元四个主要弹性常数误差在0.2%以内,验证了该方法的有效性;另外采用该方法等效三种典型结构夹层板,比较实际模型和等效模型的弯曲响应,得到的误差均在1.4%以内,表明该方法在不考虑复杂多变的夹芯结构时具有通用性。     

薄板理论的正交关系及其变分原理

利用平面弹性与板弯曲的相似性理论，将弹性力学新正交关系中构造对偶向量的思路推广到 各向同性薄板弹性弯曲问题，由混合变量求解法直接得到对偶微分方程并推导了对应的变分 原理. 所导出的对偶微分矩阵具有主对角子矩阵为零矩阵的特点. 发现了两个独立的、对称 的正交关系，利用薄板弹性弯曲理论的积分形式证明了这种正交关系的成立. 在恰当选择对 偶向量后，弹性力学的新正交关系可以推广到各向同性薄板弹性弯曲理论.     

带转动自由度的内参型非协调元研究

非协调元虽然破坏了单元间位移的连续性，却能很好地反映弯曲类变形，然而在不增加单元结点自由度的情况下，非协调元的计算精度总是滞留在某一水平，无法得到较大改变。基于修正后的位移型Reissner泛函中引入独立转动场的变分原理，采用连续介质力学中的转动自由度的定义，转动场采用结点真实转角来插值，结合平面四结点单元讨论了有效附加非协调位移的合理形式，引入了适用于任何四边形单元的非协调位移函数，从而建立了一种带转动自由度的平面四结点内参型非协调元模型。本文单元能通过分片检验，并易于与带转动自由度的梁单元相容．教值算例表明具有较高的计算精度。     

含界面裂纹Reissner板弯曲问题分析的奇异单元

首先,采用特征函数渐近展开法,推导了Reissner板弯曲界面裂纹尖端附近位移场渐近展开的前两阶显式表达式,并利用所获得的位移场渐近表达式构造了一种可用于Reissner板弯曲界面裂纹分析的奇异单元。然后,将该奇异单元与外部的常规有限单元相结合,开展了含界面裂纹Reissner板弯曲断裂问题的数值分析。奇异单元可以较好地描述裂纹尖端附近的内力场与位移场,其优势是它与常规单元进行连接时不需要使用过渡单元,并且可以直接给出应力强度因子等断裂参数的高精度数值结果。最后,通过两个数值算例验证了本文方法的有效性。     

双参数弹性地基板计算新方法

弹性地基板的弯曲问题,尤其是自由边板,一直是学者和工程师们所十分关切的问题。本文用无单元法研究双参数弹性地基板的弯曲问题,由最小二乘法和变分原理导出了双参数弹性地基板的无单元法刚度短阵,编制相应的无单元法计算程序,并给出计算实例。结果表明本方法精度良好,可求出任意荷载作用下板中任一点的挠度、转角、弯矩和扭矩,且有广泛的工程应用前景。     

加强板的弯矩函数列式

本文首先谇薄板弯曲问题矩函数的物理意义,据此,将弯矩函数列式推广到具有加强条的薄板弯曲问题,给出了与平面弹性问题完全对应的余能原理。     

板弯曲与平面弹性问题的多类变量变分原理

进一步完善板弯曲与平面弹性问题的多类变量变分原理,给出了相关边界积分项的具体表达式．多类交量变分原理涵盖了平衡、应力函数、应力、位移一应变、协调和物性共五大类基本方程和所有边界条件,是一个具有更加广泛意义的变分原理．     

板弯曲求解新体系及其应用

建立平面弹性与板弯曲的相似性理论,给出了板弯曲经典理论的另一套基本方程与求解方法,然后进入哈密顿体系用直接法研究板弯曲问题．新方法论应用分离变量、本征函数展开方法给出了条形板问题的分析解,突破了传统半逆解法的限制．结果表明新方法论有广阔的应用前景．     

New solution system for circular sector plate bending and its application

Instead of the biharmonic type equation, a set of new governing equations and solving method for circular sector plate bending is presented based on the analogy between plate bending and plane elasticity problems. So the Hamiltonian system can also be applied to plate bending problems by introducing bending moment functions. The new method presents the analytical solutions for the circular sector plate. The results show that the new method is effective. Project supported by National Natural Science Foundation (No. 19732020) and the Doctoral Research Foundation of China.     

On the displacement potential solution of plane problems of structural mechanics with mixed boundary conditions

The present paper describes the advancement of displacement potential approach in relation to solution of plane problems of structural mechanics with mixed mode of boundary conditions. Both the conditions of the plane stress and the plane strain are considered for analyzing the displacement and stress fields of the structural problem. Using the finite difference technique based on the present displacement potential approach for the case of the plane stress and the plane strain conditions, firstly an elastic cantilever beam subjected to a pure shear at its tip is solved and these two solutions (plane stress and plane strain) are compared with Timoshenko and Goodier cantilever beam bending solutions (Theory of elasticity, 2nd edn. McGraw-Hill, New York, 1951); secondly the above-mentioned displacement potential approach for the case of the plane stress and the plane strain conditions are applied to solve a one-end fixed square plate subjected to a combined loading at its tip. Effects of plane stress and plane strain on the elastic field of the plate are discussed in a comparative fashion. Limitations of Timoshenko and Goodier cantilever beam bending solutions (Theory of elasticity, 2nd edn. McGraw-Hill, New York, 1951) over the displacement potential approach for the case of the plane stress and the plane strain conditions are not only discussed but also the superiority of the present displacement potential approach for the case of the plane stress and the plane strain conditions are reflected in the present research work.     

A NEW QUADRILATERAL THIN PLATE ELEMENT BASED ON THE MEMBRANE-PLATE SIMILARITY THEORY

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＢｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｃ1ｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ ,ｉｔｉｓｖｅｒｙｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｃｏｎｆｏｒｍｉｎｇＫｉｒｃｈｈｏｆｆｐｌａｔｅｂｅｎｄｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ,ｍａｎｙａｐｐｒｏａｃｈｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｅｓｅｎｔｅｄ .Ｉｎｔｈｅｓｅａｐｐｒｏａｃｈｅｓ,ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｃ1ｉｓｒｅｌｅａｓｅｄｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｒｇｅｎ…     

双轴载荷作用下源于椭圆孔的分支裂纹的一种边界元分析

利用一种边界元方法来研究双轴载荷作用下无限大板中源于椭圆孔的分支裂纹．该边界元方法由Crouch与Starfied建立的常位移不连续单元和笔者提出的裂尖位移不连续单元构成．在该边界元方法的实施过程中,左、右裂尖位移不连续单元分别置于裂纹的左、右裂尖处,而常位移不连续单元则分布于除了裂尖位移不连续单元占据的位置之外的整个裂纹面及其它边界,文中算例说明本数值方法对计算平面弹性裂纹的应力强度因子是非常有效的。该文对双轴载荷作用下无限大板中源于椭圆孔的分支裂纹的数值结果进一步证实本数值方法对计算复杂裂纹的应力强度因子的有效性,同时该数值结果可以揭示双轴载荷及裂纹体几何对应力强度因子的影响。     

An effective boundary element method for analysis of crack problems in a plane elastic plate

A simple and effective boundary element method for stress intensity factor calculation for crack problems in a plane elastic plate is presented. The boundary element method consists of the constant displacement discontinuity element presented by Crouch and Starfield and the crack-tip displacement discontinuity elements proposed by YAN Xiangqiao. In the boundary element implementation the left or the right crack-tip displacement discontinuity element was placed locally at the corresponding left or right each crack tip on top of the constant displacement discontinuity elements that cover the entire crack surface and the other boundaries. Test examples (i. e. , a center crack in an infinite plate under tension, a circular hole and a crack in an infinite plate under tension) are included to illustrate that the numerical approach is very simple and accurate for stress intensity factor calculation of plane elasticity crack problems. In addition, specifically, the stress intensity factors of branching cracks emanating from a square hole in a rectangular plate under biaxial loads were analysed. These numerical results indicate the present numerical approach is very effective for calculating stress intensity factors of complex cracks in a 2-D finite body, and are used to reveal the effect of the biaxial loads and the cracked body geometry on stress intensity factors.