平面广义四节点等参元GQ4及其性能探讨

广义节点有限元是将传统有限元方法中的节点广义化,在不增加节点个数的前提下,仅通过提高广义节点的插值函数的阶次,从而达到提高有限元解精度的目的.与现有的p型和hp型有限元不同,在这种新的有限元中,节点自由度全部定义在节点处,在理论与程序实现上与传统有限元方法具有很好的相容性,传统有限元方法是这种新方法的广义节点退化为0阶时的特殊情形.文中主要讨论了这一新方法的四节点等参元（记为GQ4）的形式.对GQ4进行的各种数值试验表明,所发展的广义四节点等参单元具有精度高且无剪切自锁与体积自锁等的特点.     

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。     

广义有限元方法──一类新的逼近空间

本文提出了一类新的有限元空间,它把每个节点只有一个广义位移的Ｌａｇｒａｎｇｅ型插值空间推广为每个节点具有任意多个广义位移的任何级数展开式。它包括了解析法和Ｂａｂｕｓｋａ的Ｐ－ｖｅｒｓｉｏｎ方法。由于它保持了空间的协调性,并且全部自由度都定义在节点上,故程序实现简单,易被传统的有限元软件接纳。本文还给出了这一新空间的误差估计。      

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     

沿板平面材料梯度变化功能材料板件分析

本文发展一种功能梯度构件分析的细观元法.细观元法在构件的常规有限元内部设置密集观细单元以反映材料特性变化,又通过协调条件将各细观元结点自由度转换为同一常规有限元自由度,再上机计算.这种细观元法既能充分反映材料功能梯度沿各方向任意变化特性;而其计算单元又和常规有限元一样,是一种针对功能梯度结构分析的有效数值方法.现有功能梯度板件分析中无论对不同形状还是不同边界的功能梯度构件,其材料特性均沿板厚度方向梯度变化,本文用细观元法进行计算与分析,给出了目前尚未得到的沿板平面方向功能梯度变化构件的力学量三维分布形态.     

用拟协调元直接构造平面任意四边形单元——进入有限元的禁区

利用拟协调元方法,在直角坐标系下直接构造了一族平面任意四边形单元,对其收敛性进行了分析,并与平面等参元进行了对比研究.结果证明平面任意四边形单元可采用多项式基函数直接列式,并可以保障单元的收敛性;拟协调元列式可以使平面问题的有限元方法得到统一.与平面等参元相比,单元列式简单,性能稳定,具有显式的刚度阵,计算量小,这说明对于有限元平面问题拟协调元是一个更正确、有效的做法.      

广义有限元方法研究进展

广义有限元方法是常规有限元方法在思想上的延伸,它基于单位分解方法,通过在结点处引入广义自由度,对结点自由度进行再次插值,从而提高有限元方法的逼近精度,或满足对特定问题的特殊逼近要求.基于广义有限元方法对单元形状函数构造理论的深入研究,具有任意内部特征(空洞、夹杂、裂纹等)及外部特征(凹角、角点、棱边等)的复杂问题,都将在简单、且与区域无关的有限元网格上加以求解.本文主要介绍广义有限元方法的基本思想、主要特征及对重要细节的处理策略,包括线性相关性的处理、局部逼近函数的获取、区域上的数值积分技术以及边界条件的处理.与扩展有限元方法和有限覆盖方法比较,分析它们各自的特点.综述广义有限元方法的研究现状、应用,展望广义有限元方法的未来发展.     

准脆性材料中强不连续问题的数值方法若干应用及其研究进展

综述了模拟准脆性材料开裂过程的数值计算方法的研究进展和工程应用,比较了表征强不连续问题的显式非连续模型和隐式非连续模型的优缺点.结合混凝土粘结裂纹, 重点讨论了嵌入非连续模型,扩展有限元方法和富集有限元技术等非连续方法的构造特征和本质区别.从各种富集方法的理论完备性考察,以假定发展应变为基础的嵌入非连续方法虽然可以解决混凝土开裂过程中的应力锁死,满足内部边界的静力平衡条件以及反映开裂后的位移不连续问题,但嵌入非连续所采用的富集函数在开裂单元中并不能满足协调条件,使非连续两侧的应变不独立. 其局限性是由于富集自由度在单元的水平上引入,而以单位分解为基础的扩展有限元和富集有限元的富集函数以节点自由度的方式引入,除具有嵌入非连续的优点, 还可以有效消除嵌入非连续引起裂纹两侧应变的相互影响.文中同时指出了网格重构技术,弥散裂纹模型的局限性以及扩展有限元和富集有限元技术在构造方式上的细微差别.对于节点自由度方式引入的富集函数, 其操作困难性在文中也作了说明.      

带旋转自由度的精化非协调平面四边形等参元

对于C~1类不协调元文[1]提出了一种精比直接刚度法。本文进一步将其应用到C~0类问题,建立一种带旋转自由度的不协调平面四边形单元,其协调部分是用人Allman插值法建立的单元函数,不协调部分用了四个内部自由度。该单元能保证通过分片试验,保持了单变量有限元列式简单、性能可靠(无多余零能模式及坐标不变性)等长处,同时,还具备多变量有限元(杂交/拟协调元)高精度的优点。算例表明,本文提出的单元收敛、可靠、高精度且高效率。     

大型空间结构的热-动力学耦合问题及其有限元分析

论文对辐射换热条件下闭口薄壁杆件与单枝开口薄壁杆件的瞬态温度场问题,提出了一种一维傅立叶温度有限元,克服了传统一维温度单元只能计算薄壁杆截面平均温度的缺点,通过增加结点摄动温度自由度的方法,该一维单元能计算杆截面的温度分布.在此一维温度单元与梁位移单元相协调的基础上,进一步发展了大型空间结构热诱发振动稳定性判据与热颤振响应有限元计算方法.对于柔性空间结构发展了考虑几何非线性的热-结构动力学耦合有限元计算方法,成功地对这类结构的热动力屈曲问题进行了数值模拟.     

A novel twice-interpolation finite element method for solid mechanics problems

Formulation and numerical evaluation of a novel twice-interpolation finite element method （TFEM） is presented for solid mechanics problems. In this method, the trial function for Galerkin weak form is constructed through two stages of consecutive interpolation. The primary interpolation follows exactly the same procedure of standard FEM and is further reproduced according to both nodal values and averaged nodal gradients obtained from primary interpolation. The trial functions thus constructed have continuous nodal gradients and contain higher order polynomial without increasing total freedoms. Several benchmark examples and a real dam problem are used to examine the TFEM in terms of accuracy and convergence. Compared with standard FEM, TFEM can achieve significantly better accuracy and higher convergence rate, and the continuous nodal stress can be obtained without any smoothing operation. It is also found that TFEM is insensitive to the quality of the elemental mesh. In addition, the present TFEM can treat the incompressible material without any modification.     

用路径守恒积分计算平面准晶裂纹扩展的能量释放率

将准晶（包括点群５,５ｍ,８ｍｍ,１０,１０ｍｍ,１２ｍｍ）弹性边值问题化为广义能量泛函的变分问题,建立了求解准晶弹性变形的有限元法,并提出了含裂纹准晶的路径守恒Ｅ－积分,指出Ｅ－积分在数值上等于准晶裂纹扩展的能量释放率,作为实例,计算了平面五次、八次、十二次对称准晶裂纹扩展的能量释放率,数值计算表明准晶中路径积分具有较好的守恒性,同时数值结果表明准晶中相位子场的出现使准晶裂纹扩展的能量释放率增大     

A regular boundary element method for fluid flow

The Boundary Element Method is now well established as a valid numerical technique for the solution of field problems, equal to the Finite Element Method in generality and surpassing it in computational efficiency in some cases.¹ In this paper is presented a 'Regular Boundary Element Method' as applied to inviscid laminar fluid flow problems. It involves the formation of a system of regular integral equations obtained by moving the singularity outside the domain of the given problem. It is also shown that non-conforming elements may be used whereby freedoms are not defined at the geometric nodes under the boundary element discretization. A linear element is developed here; higher order variants could easily be defined. Satisfactory numerical results have been obtained using the proposed regular method with both conventional (continuous across the boundary) and non-conforming boundary elements for two-dimensional inviscid laminar fluid flow problems having regular and singular solutions.     

多重应力奇异性及其强度系数的数值分析方法

以具有两个应力奇异性次数的平面问题为例,提出了一种利用普通的数值分析结果确定奇异点附近多重应力奇异性的各阶次数以及相应的应力强度系数的数值分析方法,计算实例表明,本方法可以精确地求得各阶应力奇异性的次数,并且可以很方便地应用外插法确定出对应的应力强度系数。     

不规则区域平面问题的条形传递函数方法

对条形传递函数方法进行了改进,提出了映射条形传递函数方法,用于处理非正规形状区域的平面问题。在本文方法中,一个非正规区域被映射成为若干矩形子区域的组合,在这些矩形子区域内划分条形单元,进而建立起位移离散模型。利用变分关系对模型处理,可以得到问题的动态控制方程。应用改进后得到的数值传递函数求解,就可以得到系统的动力、静力响应。文后应用上述方法建立了应用模型并给出了数值算法,结果表明本方法继承了原方法精度高、处理规范、便于求解动态问题等,并成功地应用到了非规则区域的平面问题中。     

Fundamental solution for bonded materials with a free surface parallel to the interface. Part II: Solutions of concentrated force acting at the interior of the substrate and the case when the force acting at the interface

In this work, the exact analyses are presented for the plane problem of a coating material subjected to a concentrated force acting at the interior of the substrate and the case when the force at the interface. The stress functions are constructed as an infinite series form by utilizing the method of image. According to the orders of the image points from lower to higher, the terms in the stress functions series have the recursive relationships. For the case when the force acting at the substrate, the first two terms are the original stress functions for a homogenous infinite plane subjected to a concentrated force, which are known and simple. For the case when the force acting at the interface, the fundamental solution is obtained for two bonded dissimilar semi-infinite plane. The stress functions in this solution can be used as the first two terms for the problem considered in this paper. Therefore, all other terms can be derived by the recurrence equations explicitly. Also, through comparisons between the theoretical results and the numerical results by FEM, it is verified that the convergence rate of the solutions is very rapid. In most practical cases only the first several image points can ensure the solutions with satisfactory accuracy.     

基于辛弹性力学解析本征函数的有限元应力磨平方法

在实际工程结构的结构强度与优化等力学数值分析中,应力计算结果的精度是非常重要的。有限元法是得到最广泛应用的一类数值方法,并形成了众多通用的有限元程序系统。这些程序系统采用的几乎都是基于最小总势能的位移法,虽然其分析给出的有限元位移场具有较高的精度,但所得到的有限元应力场的精度较位移场大大降低。基于极坐标辛对偶体系所提供的平面弹性力学的解析辛本征展开解,并借用有限元程序系统所得到的节点位移,本文提出了一个应力分析的改进方法。数值结果表明,本方法给出的应力分析精度得到大幅提高,并具有良好的数值稳定性,可用于有限元程序系统的后处理,以提高应力尤其是关键区域应力的分析精度。     

压电界面裂纹裂尖强度因子的显式计算公式

对常见横观各向同性压电材料(TIP)中界面裂纹的裂纹面与压电材料的极化方向成任意夹角的一般情况进行了研究,通过推导得到了计算裂尖强度因子的显式外推公式,同时给出了裂纹面与极化方向垂直的典型情况下的外推公式.这些显式计算公式为常见数值方法如有限元法及边界元法在压电材料断裂力学中的应用提供了便利.     

用均匀化理论分析蜂窝结构的等效弹性参数

在线弹性范围内,根据均匀化理论,并结合有限元方法推导出适用于二维周期性结构的均匀化的有限元格式（Homo FEM）,计算出不同相对密度下的规则蜂窝结构的等效弹性模量Ee和泊松比νe.同时,利用蜂窝结构的代表胞元模型,用常规的有限元方法（FEM）模拟计算出相应的等效弹性参数.最后将两种数值计算结果与己有的理论公式进行了比较和分析讨论.结果表明:在考察的相对密度全场范围内（0～0.4）,HOmO FEM得到的蜂窝结构的 Ee和νe 与 FEM使用平面实体单元模拟计算得到的结果一致吻合,反映出 Homo FEM数值方法的客观准确性和可行性.而 Gibson公式和 W-K得到的等效弹性模量值 Ee只是在较小相对密度的情况下（小于0.15）与数值计算结果吻合.当结构的相对密度较大时,必须考虑胞棱附近区域由应力集中导致的复杂的应力和应变分布的影响.