含一个无外力圆柱面带转动的三维杂交应力元

根据一种修正的余能原理,建立了一类具有一个无外力圆柱表面及结点含转动自由度的8 结点新型三维杂交应力元. 单元边界位移场选择二次位移插值函数,且与相邻元协调;单元内假定应力场满足以柱坐标表示的平衡方程及圆柱面上无外力边界条件. 数值算例表明,这种特殊杂交应力元在相当粗的网格下即能十分准确地分析圆弧形槽口附近及曲梁的三维（及二维）的孔边应力分布.      

含一个无外力圆柱面带转动的三维杂交应力元简

根据一种修正的余能原理,建立了一类具有一个无外力圆柱表面及结点含转动自由度的8 结点新型三维杂交应力元. 单元边界位移场选择二次位移插值函数,且与相邻元协调;单元内假定应力场满足以柱坐标表示的平衡方程及圆柱面上无外力边界条件. 数值算例表明,这种特殊杂交应力元在相当粗的网格下即能十分准确地分析圆弧形槽口附近及曲梁的三维（及二维）的孔边应力分布.     

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。     

基于解析试函数三角形带旋转自由度膜元的显式格式研究

三角形单元是有限元分析中常用的单元.在平面单元内引入结点转动自由度,可以提高单元位移场的阶次,在不增加单元结点的前提下提高单元性能.论文利用问题基本解析解作为试函数来构造带旋转自由度的三角形单元ATF-R3H,采用了杂交应力函数单元模式,确保了单元优良的抗畸变性能和较高应力计算精度.论文利用直角坐标与三角形面积坐标的线性关系,以及面积坐标幂函数在三角形域内和边界上的积分公式,直接给出单元刚度矩阵的显式表达式,从而避免了大量数值积分,提高了计算效率.数值算例表明,显式格式的ATF-R3H单元具有良好的性能.     

12结点三维等参奇异单元的构造和应用

通过改变三维8结点六面体等参单元的结点位置、结点数目和形函数,构造了一种12结点三维等参奇异单元,该单元的应力场具有1/(√r)奇异性,可以模拟裂缝前沿的奇异应力场;该单元的位移模式在其中两个坐标方向是线性变化的,因此,该单元与线性单元连接时不需要过渡单元,仍能保证交界面位移协调,克服了20结点三维等参奇异单元不能与线性单元协调连接的缺陷;文章最后将该奇异单元布置在裂缝前沿,应用有限元法计算了三点弯曲梁预制裂缝前沿的应力强度因子,该结果与规范公式计算值基本一致.     

直接增强自然单元法计算应力强度因子

自然单元法是一种新兴的无网格数值计算方法,但应用于裂纹问题计算时,其近似函数并不能准确反映裂纹尖端渐进应力场的奇异性,为获得足够的计算精度,需要在缝尖附近增大结点的布置密度。针对裂纹问题提出一种增强的自然单元法,将缝尖渐近位移场函数嵌入到自然单元法近似函数中,给出了增强试函数的构造方法,推导了总体刚度矩阵和荷载列阵的相关列式。应力强度因子可以作为附加未知量直接算得,也可用J积分或相互作用能量积分方法进行计算,对增强区域的选择和影响进行了分析。算例结果表明,基于增强自然单元法采用围线积分方法计算应力强度因子具有很高的精度,但直接以附加结点自由度形式计算则精度有所降低。     

含面内转动自由度的广义协调曲面矩形扁壳元

扁壳单元中引入结点转角自由度可以在不增加结点的情况下,增加位移场的阶次,提高计算精度,从而显著地提高单元性能。同时在单元中引入泡状位移场,能有效地扩大了单元位移场的解空间,所构造的单元具有计算精度高、对计算网格畸变不敏感的优良特性。本文利用广义协调薄板单元RGC-12的位移函数作为扁壳元的法向位移,利广义协调矩形膜元的位移函数作为扁壳面的切向位移,通过附加面内转动自由度构造了一个具有24个自由度的4结点广义协调曲面矩形扁壳元GRC-S24。在此基础上再增加一个广义泡状位移,又构造了一个具有更高计算精度的曲面矩形扁壳元GRC-S24M。并通过实例分析对这两个单元的收敛性和精度进行了验证。     

基于第二类四边形面积坐标的弹性力学纯弯解及MacNeal局限定理的破解

为了提高有限元的性能,弹性力学的解析解(齐次方程的通解)常常可用作有限元的试探函数。然而单元自由度数与完备的直角坐标解析解个数并不匹配,不完备的试函数会导致单元有方向依赖性。利用新型局部自然坐标——第二类四边形面积坐标QACM-II(S,T),给出了平面问题对应任意方向纯弯曲状态的应力函数解析解,即S3和T3的线性组合,并推导出了这两组应力函数对应的应力、应变和位移解析解。之后,利用QACM-II表示的解析解构造了非对称的平面4节点8自由度单元USQ4,该单元可以同时通过常应力/应变分片检验和纯弯测试,从而破解了MacNeal局限定理对平面低阶单元的限制。     

含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元

基于含椭圆核有限大各向异性板弹性问题的复变函数级数解,应用杂交变分原理建立了一种与常规有限元相协调的含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元.单元内的应力场和位移场采用满足平衡方程、几何方程与物理方程的复变函数级数解,假设的复变函数级数解精确满足椭圆核边界处的位移协调条件和应力连续条件,单元外边界上的位移场按常规有限元位移场假设,单元内椭圆核的长轴可以与材料主轴不重合.单元刚度矩阵采用Gauss积分求得,并给出了建立刚度矩阵的主要公式和推倒过程.数值计算结果表明该单元具有计算精度高、计算工作量小等优点.     

有旋转自由度的高精度四边形单元

从具有三次位移模式的平面等参元出发 ,通过对单元自由度进行线性变换并引入连续介质力学中关于旋转度的定义 ,构造出角结点有旋转自由度的高精度四边形单元。该单元与平面等参元有相同的单元特征及精度     

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     

改进型扩展比例边界有限元法

结合了扩展有限元法(extended finite elementmethods,XFEM)和比例边界有限元法(scaled boundary finite elementmethods,SBFEM)的主要优点,提出了一种改进型扩展比例边界有限元法(improvedextended scaled boundary finite elementmethods,$i$XSBFEM),为断裂问题模拟提供了一条新的途径.类似XFEM,采用两个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面,并基于水平集函数判断单元切割类型;将被裂纹切割的单元作为SBFE的子域处理,采用SBFEM求解单元刚度矩阵,从而避免了XFEM中求解不连续单元刚度矩阵需要进一步进行单元子划分的缺陷;同时,借助XFEM的主要思想,将裂纹与单元边界交点的真实位移作为单元结点的附加自由度考虑,赋予了单元结点附加自由度明确的物理意义,可以直接根据位移求解结果得出裂纹与单元边界交点的位移;对于含有裂尖的单元,选取围绕裂尖单元一圈的若干层单元作为超级单元,并将此超级单元作为SBFE的一个子域求解刚度矩阵,超级单元内部的结点位移可通过SBFE的位移模式求解得到,应力强度因子可基于裂尖处的奇异位移(应力)直接获得,无需借助其他的数值方法.最后,通过若干数值算例验证了建议的$i$XSBFEM的有效性,相比于常规XFEM,$i$XSBFEM的基于位移范数的相对误差收敛性较好;采用$i$XSBFEM通过应力法和位移法直接计算得到的裂尖应力强度因子均与解析解吻合\较好.      

对“分区混合有限元法计算应力强度因子”的讨论

用分区混合有限元法计算应力强度因子,是分区混合能量原理实际应用的一个成功例子。该方法是把裂纹尖端附近作为Ⅰ区,采用一个应力奇异单元,应力场取裂纹尖端附近渐近解的第一项,以应力强度因子作未知量;把其余部分作为Ⅱ区,采用位移型常规单元,以结点位移作为未知量。     

应力函数及其对偶理论在有限元中的应用

借助于Cosserat连续介质模型，探讨了应力函数和位移对避免有限元C$^{1}$ 连续性困难的互补性作用. 通过对应力函数对偶理论的深入分析，为将应力函数列式得到的 余能单元转化为具有一般位移自由度的势能单元提供了严格的理论基础，在此基础上， 给出应用应力函数构造有限元的一般方法.     

四节点四边形数值流形方法及其改进

本文对四节点四边形流形元提出了改进措施,将覆盖位移函数用自然坐标表示,使得在一般非规则有限数学覆盖网格下,数值积分变得比较容易,克服了现有四节点四边形流形单元数值积分困难的缺点。数值算例将其应用于复合材料数值模拟,计算结果表明,当覆盖位移函数采用完全一阶等参多项式时,计算精度较传统有限元法有很大改进。在力应集中或应力突变的区域,无需网格加密,只需提高覆盖位移函数的阶次即可。     

两个薄板弯曲广义协调三角形元

本文根据修正势能原理,应用结点挠度的协调条件以及各边平均挠度和平均法向转角的广义协调条件导出两个九自由度三角形薄板位移型单元LZ1和LZ2.这两个广义协调元是低阶次高精度单元,能够通过分片检验。从精度、简便性和可靠性全面衡量,它们是两个优质的九自由度三角形薄板单元。     

多变量拟协调平面四边元

本文采用了多变量的拟协调方法,吸取了位移等参元的优点,分析各个场变量的作用和它们之间的关系,引入加权矩阵[P]和内部附加位移{U λ}构造了一个多变量拟协调平面四边形单元,这种方法克服了位移法中内部自由度引起的缺秩问题,本文的单元通过分片试验,具有单元的坐标不变性,并且精度高,运算速度快,列式简单的优点。     

Biot平面固结分析的流形单元法

基于数值流形方法和有限覆盖技术,提出了适用于Biot固结分析的三节点平面协调流形元。由于土骨架位移和孔隙水压力的节点覆盖函数(Lagrange插值函数)阶次可分别任意选择,该单元是一组满足位移和孔压插值阶次不同且所有节点具有相同自由度数的新型u-p混合模式单元,并且更加方便编程。数值分析表明,位移和孔压的节点覆盖函数阶次分别取一次和零次的流形单元(T1-0)是该组单元中最为有效的。与等价四边形等参元相比,T1-0流形元能给出精度更高的初期孔压和位移。     

一个高精度八结点六面体单元

本文提出一个用于分析弹性空间问题的八结点六面体单元Q_(c11)用等参拟协调元方法,建立了该单元的单元函数显式。Q_(c11)单元具有24个结点参数和9个内部自由度,对长方体单元,其结果与Q_6单元相同,能精确描述纯弯曲,对任意六面体单元能保证通过分片试验。该单元具有构造简单,计算方便,精度高等优点。实际上,这里提供了一种构造非协调等参元单元函数的方法。     

利用边界单元法求平面问题应力强度因子K_I的应力-位移杂交法

本文提出用裂尖附近2点或3点的应力和位移计算应力强度因子K_I的杂交方法.这种方法充分利用了边界单元法的计算结果,考虑了裂尖应力场和位移场渐近展开式的高阶项,使用远离裂尖的点算出的K_I也有较好的精度,拟合线十分平坦.用算例的结果将杂交法与一般的位移法和应力法进行了比较,同时,对常量单元和线性单元也进行了比较.