基于改进位移模式的一维C1有限元超收敛算法

提出了基于改进位移模式的一维C1有限元超收敛算法。利用单元内部需满足平衡方程的条件，推导了超收敛计算解析公式的显式，即将高阶有限元解的位移模式用常规有限元解的位移模式表示。用常规有限元解的位移模式与高阶有限元解的位移模式之和构造新的位移模式。采用积分形式推导了单元刚度矩阵。该算法在前处理阶段使用了超收敛计算公式，在常规试函数的基础上，增加了高阶试函数，使得单元内平衡方程的残差减少，从而达到提高精度的目标。对于Hermite单元，本文的结点和单元的位移、导数都达到了h4阶的超收敛精度。     

基于改进位移模式的一维有限元超收敛算法

将多尺度方法的思想与超收敛计算的解析公式结合起来，提出了改进有限元位移模式的算法。利用超收敛计算的解析公式，将高阶有限元解的位移模式用常规有限元解的位移模式表示。用常规有限元解的位移模式与高阶有限元解的位移模式之和构造新的位移模式，采用积分形式推导了单元刚度矩阵。该算法在前处理和后处理两个阶段都使用超收敛计算公式，在常规试函数的基础上，增加了高阶试函数，使得单元内平衡方程的残差减少，从而达到提高精度的目标。对于线性单元，本文结点和单元的位移、导数都达到了h4阶的超收敛精度。     

欧拉梁弹性稳定分析的有限元p型超收敛算法

本文将有限元p型超收敛算法应用于欧拉梁弹性稳定分析。该法基于有限元解答中失稳载荷和失稳模态结点位移的超收敛特性,建立了单元上失稳模态近似满足的线性常微分方程边值问题,在每个单元上,对该边值问题采用一个高次元进行求解,获得失稳模态的超收敛解,再将失稳模态的超收敛解代入瑞利商的解析表达式,最终获得失稳载荷的超收敛解。该法思路简明,通过少量计算即可显著提高失稳载荷和失稳模态的精度与收敛阶。数值算例表明,该法高效、可靠,值得进一步研究和推广到各类杆系结构。     

A p-TYPE SUPERCONVERGENT RECOVERY METHOD FOR FE ELASTIC STABILITY ANALYSIS OF EULER BEAMS1)

本文将有限元p型超收敛算法应用于欧拉梁弹性稳定分析。该法基于有限元解答中失稳载荷和失稳模态结点位移的超收敛特性，建立了单元上失稳模态近似满足的线性常微分方程边值问题，在每个单元上，对该边值问题采用一个高次元进行求解，获得失稳模态的超收敛解，再将失稳模态的超收敛解代入瑞利商的解析表达式，最终获得失稳载荷的超收敛解。该法思路简明，通过少量计算即可显著提高失稳载荷和失稳模态的精度与收敛阶。数值算例表明，该法高效、可靠，值得进一步研究和推广到各类杆系结构。     

一维Ritz有限元EEP超收敛位移计算简约格式的直接推导与证明

一维Ritz有限元后处理超收敛计算的EEP(单元能量投影)法简约格式中,若问题和解答足够光滑,其m(1)次单元的超收敛位移解在单元内任一点均可以达到至少hm+2的超收敛阶。对此,本文提出一套全新的推证方法,通过对单元能量投影的等效变形,直接推导出EEP简约格式位移解的计算公式及其误差项,进而采用更为简单通用的数学证明方法,证明了这一超收敛性。     

四节点四边形拟协调Mindlin板单元

本文运用近年来发展的拟协调元法的基本思想,构造了一个简单有效的四节点四边形的Mindlin板单元.该单元完全控制了W的“时漏模式”(hourglass-mode)对有限元解的影响.数值结果表明该单元实施简单、不缺秩且收敛快.     

位移贡献法及其级数收敛解

文中的位移贡献法是以结构中两节点间的杆件为基本计算单元,通过这些基本计算单元两端的位移对结构中节点位移的贡献及单元之间位移的传递,可求出结构中节点的位移。当采用适当的方法进行位移传递时,可用一组等比收敛级数对结构中节点的位移进行收敛计算,从而得到精确解.     

复杂厚板的条形传递函数解

建立了规则区域厚板混合状态变量的条形传递函数解,通过定义结点变量,并利用结点位移连续和力平衡条件,将多个简单子区域的解进行组装,从而得到了复杂形状,复杂边界条件厚板的条形传递函数解,由于条形传递函数法的节点位移变量与有限元法的节点位移变量完全一致,可将简单矩形板的条形传递函数解作为一个超东级单元,直拉将超级单元和有限元单元进行综合,可以得到复杂板的条形传递函数解,进一步增强了条形传递函数法对复杂反问题的适应性。     

一维有限单元的节点位移精度

研究高次杆单元和梁单元的节点位移精度问题.首先求出一端固支均匀杆和悬臂梁在任意次多项式形式分布载荷作用下的位移精确解,然后用二次杆单元、五次欧拉梁单元和三次铁木辛柯梁单元求得了节点位移.通过比较有限元解与精确解以及利用静力凝聚方法,发现一次以上杆单元、三次以上欧拉梁单元以及三次以上铁木辛柯梁单元都可以给出精确的端点位移.     

NODAL DISPLACEMENT ACCURACY OF ONE-DIMENSIONAL FINITE ELEMENTS

研究高次杆单元和梁单元的节点位移精度问题.首先求出一端固支均匀杆和悬臂梁在任意次多项式形式分布载荷作用下的位移精确解,然后用二次杆单元、五次欧拉梁单元和三次铁木辛柯梁单元求得了节点位移.通过比较有限元解与精确解以及利用静力凝聚方法,发现一次以上杆单元、三次以上欧拉梁单元以及三次以上铁木辛柯梁单元都可以给出精确的端点位移.     

基于变形修正的局部刚体化动力模型简化方法

提出一种基于变形修正的动力模型简化方法. 以复杂工程结构的有限元模型为基础，根 据运动同步性假设将结构分成若干同步性区域. 采用适当的位移模式去逼近位移真值，再通 过总体应变能最小来优化，从而得到整体位移与局部位移模式间的转换关系. 算例结果 表明了简化方法的有效性.     

基于扩展有限元的应力强度因子的位移外推法

针对平面裂纹问题,阐述了扩展有限元法的单元位移模式、推导了扩展有限元法的控制方程、介绍了特殊单元的数值积分技术.基于最小二乘法,建立了应力强度因子位移外推法的计算公式.利用MATLAB编写计算程序,对平面裂纹问题用扩展有限元法进行了计算.基于扩展有限元法的计算结果,分别利用位移外推法和相互作用积分法,对平面裂纹的应力强度因子进行了计算.计算结果表明,位移外推法比相互作用积分法能更方便和准确地计算平面裂纹的应力强度因子.     

透射边界条件在波动谱元模拟中的实现:一维波动

多次透射公式(multi-transmitting formula,MTF)是一种具有普适性的局部人工边界条件,但其在近场波动数值模拟中一般与有限元法结合.由于波动谱元模拟的数值格式与有限元格式有极大的不同,传统的MTF在谱元离散格式中无法直接实现.为了使物理概念清楚、精度可控的多次透射人工边界条件能够适应波动谱元模拟的需求,首先指出多次透射边界与谱元离散格式结合的基本问题,并分析了空间内插和时间内插两种方案的可行性.然后从空间内插角度出发,提出基于拉格朗日多项式插值模式的MTF谱元格式,并采用一种简单内插方法实现高阶MTF.最后通过一维波动数值试验检验这些MTF谱元格式的精度,并讨论其数值稳定性.结果表明:对于一、二阶MTF,几种格式的精度相当;对于三、四阶MTF,基于谱单元位移模式插值的格式精度最高.相反,随着插值多项式阶次的升高,不同MTF格式的稳定临界值逐步降低,但是所有格式均在人工波速大大超过物理波速时才可能发生失稳.     

平面应变不可压缩橡胶圆柱的大变形

针对一类新的橡胶材料应变能函数，推导了受内压作用下不可压缩橡胶圆柱的大变形公式，给出了位移、应力的解析表达式（用积分形式表示）。建立了适用于分析非线性不可压缩橡胶材料的罚有限元列式，算例表明：位移与应力能很好地与理论解吻合，并提出了控制计算稳定的方法，特别是详细地讨论罚因子的选取及对计算结果的影响。     

非傅里叶热弹性的时域间断迦辽金有限元方法

基于Lord-Shulman非傅里叶热弹性模型,提出了采用修正的时域间断迦辽金有限元方法(time discontinuousGalerkin finite element method, DGFEM)求解方法. DGFEM对温度场、位移场基本未知向量及其时间导数向量在时域中分别插值;在最终的求解公式中,引入了人工阻尼. 数值结果显示所发展的DGFEM 较好地捕捉了波的间断并消除了热冲击作用下虚假的数值振荡,能够良好地模拟热弹性问题并具有较高的精度.     

Buckling of soft-core sandwich plates with angle-ply face sheets by means of a C0 finite element formulation

In order to avoid using C¹ interpolation functions in finite element implementation of the previous zig–zag theories, artificial constraints, in which the first derivatives of transverse displacement will be replaced by the assumed variables, are usually employed. However, such assumption will violate continuity conditions of transverse shear stresses at interfaces. Differing from previous work, this paper will propose a C⁰-type zig–zag theory for buckling analysis of laminated composite and sandwich plates with general configurations. The first derivatives of transverse displacement have been taken out from a displacement field of the proposed zig–zag theory. Thus, the C⁰ interpolation functions are only required in finite element implementations of the proposed model. Without use of any artificial constraints, an eight-node quadrilateral element based on the proposed model is presented by incorporating the terms associated with the geometric stiffness matrix. In order to verify performance of the proposed model, several buckling problems of sandwich plates with soft core have been analyzed. Numerical results show that the proposed model is able to predict accurately buckling loads of the soft-core sandwich plates with varying fiber orientations of face sheets.     

A new finite element method for strain gradient theories and applications to fracture analyses

A new compatible finite element method for strain gradient theories is presented. In the new finite element method, pure displacement derivatives are taken as the fundamental variables. The new numerical method is successfully used to analyze the simple strain gradient problems – the fundamental fracture problems. Through comparing the numerical solutions with the existed exact solutions, the effectiveness of the new finite element method is tested and confirmed. Additionally, an application of the Zienkiewicz–Taylor C1 finite element method to the strain gradient problem is discussed. By using the new finite element method, plane-strain mode I and mode II crack tip fields are calculated based on a constitutive law which is a simple generalization of the conventional J₂ deformation plasticity theory to include strain gradient effects. Three new constitutive parameters enter to characterize the scale over which strain gradient effects become important. During the analysis the general compressible version of Fleck–Hutchinson strain gradient plasticity is adopted. Crack tip solutions, the traction distributions along the plane ahead of the crack tip are calculated. The solutions display the considerable elevation of traction within the zone near the crack tip.