基面力概念在几何非线性余能有限元中的应用

以基面力为基本未知量描述一个弹性系统的应力状态并表征单元的余能,将大变形的余能分解为变形余能部分和转动余能部分,采用Lagrange乘子法放松单元的平衡方程,利用已有的弹性大变形余能原理建立了一种几何非线性显式有限元模型,编制了相应的几何非线性余能原理有限元程序. 数值算例表明:该方法具有较好的收敛性和计算精度,可进行大载荷步的大位移、大转动计算.      

一种基于基线力的平面几何非线性余能原理有限元模型

以基线力为状态变量,构造几何非线性问题单元的余能,该余能包括变形部分和转动部分．利用高玉臣提出的弹性大变形余能原理,以Lagrange乘子法松弛单元域内的平衡条件,得到了一个以基线力表达的修正的余能原理．在假设平面单元每一个边上的力为均匀分布的条件下,推导出一种几何非线性平面4节点有限元模型．运用MATLAB语言编制出相应的非线性有限元分析程序．数值算例结果表明该模型具有良好的性能．     

浅曲梁大挠度分析的余能有限元方法

以高玉臣提出的弹性大变形余能原理为基础,利用Lagrange乘子,放松平衡方程和力边界条件对余能泛函的约束,推导出广义的余能原理.根据极分解定理,将变形分为刚性转动和纯变形两部分,则余能也包含相应的两部分,一部分与刚性转动有关,而另一部分与纯变形有关.使用线弹性本构关系,建立了可用于几何非线性计算的有限元模型.应用更新的Lagrange列式法,给出了增量形式的有限元公式.数值计算结果表明,该方法可用于浅曲粱的几何大变形计算.     

基于基面力概念的一种新型余能原理有限元方法

在高玉臣(2003)提出的单元柔度矩阵表达式的基础上,基于基面力的概念,利用余能原理和Lagrange乘子法推导出以基面力为基本未知量的余能原理有限元支配方程张量表达式和节点位移表达式,编制出相应的有限元程序,通过对一些典型的弹性理论问题的计算分析,数值解与理论解相吻合。研究表明,这种方法简单而有效,是有限元方法的一种新思路,具有较好的应用前景。     

基面力元法(BFEM)的研究及应用进展

从高玉臣院士提出的基面力概念出发,针对一种基于基面力概念的新型有限元法—基面力元法BFEM(Base Force Element Method)的研究及应用进行综述.分析结果表明:基面力元法的计算所得结果与理论解吻合较好,基于余能原理的基面力元法较传统平面4节点等参元(Q4单元)具有较高的计算性能;在高度几何非线性分析中,基于余能原理的基面力元法较平面4节点减缩积分单元(Q4R单元)也具有一些优势;基面力元法列式推导简单,是有限元方法的一种新思路,具有较好的应用前景.     

悬索大挠度风振响应的有限体积法分析

基于Lagrange原理,建立了一套新的悬索大挠度动力特性和动力响应分析的有限体积法列式,推导了结点力向量、质量矩阵和单元刚度矩阵的显式表达式。该列式的一个显著特点是直接利用工程应变定义结构变形,其物理意义明确,列式简单,适用于各种垂度和荷载情况的悬索大挠度动力分析。实例动力特性和随机风振响应分析表明,该有限体积列式不仅计算效率高,而且具有良好的计算精度。     

TL法和UL法对刚架弹性大位移分析的适用性

本文分别基于Total Lagrange(TL)和Updated Lagrange(UL)描述分别导出了适用于刚架问题几何非线性分析的有限元公式系统，并研制了相应的计算程序，文中从量化的角度讨论了上述两种列式方法在通常情况下的适用性，并研究了诸如有限单元划分、杆件中轴向力的大小以及采用通常积分方法或积分平均化方法时等多种因素对于有限单元TL法和UL法适用性方面的影响，本文得出了一些相对量化的结论，对于非线性有限元方法的实际工程应用具有一定的指导意义。     

四节点二十四自由度平板壳单元几何刚度矩阵显式解析式的推演算法研究

几何刚度矩阵的推演是结构几何非线性有限元分析的重点和难点之一。推导几何刚度矩阵显式解析表达式成为简化非线性有限元列式,提高分析效率的关键。本文在协同转动法框架下,基于刚体运动法则对四节点二十四自由度的平板壳单元几何刚度矩阵显式解析式进行了推导和讨论;分析了悬臂梁大转动、不同壁厚条件下简支圆柱形屋顶空间大变位两个经典算例。研究结果表明：（1）几何刚度矩阵的显式计算公式不仅为板壳结构几何非线性列式提供了方便而且具有良好的精度;（2）推导的几何刚度矩阵适用于各类型四边形二十四自由度平板壳单元模型;（3）与数值积分相比,采用解析形式的几何刚度矩阵可以显著提高非线性响应计算效率。     

基于拟应变法的壳单元大变形分析及在冲击动力问题中的应用

为了简便有效地解决板壳结构的大变形问题，本文针对八节点相对自由度壳单元进行研究。该单元的位移场由壳的中面节点位移和上表面节点的相对位移组成，不带有转动变量。所有的研究都是基于完全的三维位移、应力、应变场。采用拟应变法，对应变场另行假设，能够改善该单元在大变形情况下的计算精度。通过引入Wilson非协调模式，构造了大变形情况下的拟应变场表达式，给出了该单元用于解决非线性动力分析问题的有限元求解方程。通过算例表明，本文针对相对自由度壳单元提出的方法及推导的公式，能够解决冲击动力问题中的大变形问题。     

新的一个求解带孔薄板弹性问题的二维杂交应力单元

建立了一个新的求解带圆孔薄板弹性问题的二维杂交应力单元,该单元为四节点四边形平面单元,名为P-HS4-8β。由极坐标系下的物理方程和几何方程求解出了一个极坐标方向的应力,通过将这个应力带入由Hellinger-Reissner原理推导的极坐标系下平面应力问题的能量方程中,得到了消除了该应力的能量方程,基于这个能量方程建立了杂交应力单元列式。根据圆孔边无外力条件和相容方程,推导了适用于求解带圆孔薄板问题的极坐标系下的二应力插值矩阵,并将此矩阵应用于新的有限单元列式中。数值算例表明新单元在求解孔边附近的应力时具有较高的精度。     

Base force element method of complementary energy principle for large rotation problems

Using the concept of the base forces, a new finite element method （base force element method, BFEM） based on the complementary energy principle is presented for accurate modeling of structures with large displacements and large rotations. First, the complementary energy of an element is described by taking the base forces as state variables, and is then separated into deformation and rotation parts for the case of large deformation. Second, the control equations of the BFEM based on the complementary energy principle are derived using the Lagrange multiplier method. Nonlinear procedure of the BFEM is then developed. Finally, several examples are analyzed to illustrate the reliability and accuracy of the BFEM.     

The application of 2D base force element method (BFEM) to geometrically non-linear analysis

Based on the concept of the base forces by Gao, a new finite element method – the base force element method (BFEM) on complementary energy principle for two-dimensional geometrically non-linear problems is presented. A 4-mid-node plane element model of the BFEM for geometrically non-linear problem is derived by assuming that the stress is uniformly distributed on each sides of a plane element. The explicit formulations of the control equations for the BFEM are derived using the modified complementary energy principle. The BFEM is naturally universal for small displacement and large displacement problems. A number of example problems are solved using the BFEM and the results are compared with corresponding analytical solutions and those obtained from the standard displacement finite element method. A good agreement of the results, and better performance of the BFEM, compared to the displacement model, in the large displacement and large rotation calculations, is observed.     

THE PARAMETRIC VARATIONAL PRINCIPLE AND NON-LINEAR FINITE ELEMENT METHOD FOR ANALYSIS OF ASTROMESH ANTENNA STRUCTURES

针对大型周边桁架式索网天线由拉索拉压模量不同引起的本构非线性和结构大变形引起的几何非线性问题,给出了基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法. 首先针对含预应力索单元拉压模量不同分段描述的本构关系,通过引入参变量,导出了基于参变量及其互补方程的统一描述形式,避免了传统算法需要根据当前变形对索单元张紧/松弛状态的预测,提高了算法收敛性. 然后利用拉格朗日应变描述索网天线结构大变形问题,结合几何非线性有限元法,建立了基于参变量的非线性平衡方程和线性互补方程;并给出了牛顿-拉斐逊迭代法与莱姆算法相结合的求解算法. 数值算例验证了本文提出的算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于大型索网天线结构的高精度变形分析和预测.     

Variational principles of asymmetric elasticity theory of finite deformation

Ｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｆｏｒｍｓｏｆｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅｆｉｎｉｔｅｓｔｒａｉｎａｎｄｒｏｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍｍｅｃｈａｎｉｃｓｔｈｅｏｒｙａｔｐｒｅｓｅｎｔ．ＴｈｅｃｌａｓｓｉｃａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｔｈｅｏｒｙｂａｓｅｄｏｎＧｒｅｅｎ’ｓｓｔｒａｉｎｔｅｎｓｏｒｌａｃｋｓｔｈｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｆｉｎｉｔｅｒｏｔａｔｉｏｎｃｏｍｐａｔｉｂｌｅｗｉｔｈｔｈｅｓｔｒａｉｎ．Ｔｈｅｐｏｌａｒｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｔｈｅｏｒｅｍｌｏｓ…     

Generalized variational principles of symmetrical elasticity problem of large deformations

ＧＥＮＥＲＡＬＩＺＥＤＶＡＲＩＡＴＩＯＮＡＬＰＲＩＮＣＩＰＬＥＳＯＦＳＹＭＭＥＴＲＩＣＡＬＥＬＡＳＴＩＣＩＴＹＰＲＯＢＬＥＭＯＦＬＡＲＧＥＤＥＦＯＲＭＡＴＩＯＮＳＺｈａｏＹｕ－ｘｉａｎｇ（赵玉祥）ＧｕＸｉａｎｇ－ｚｈｅｎ（顾祥珍）ＬｉＨｕａｎ－ｑｉｕ...     

索网天线的参变量变分及非线性有限元方法

针对大型周边桁架式索网天线由拉索拉压模量不同引起的本构非线性和结构大变形引起的几何非线性问题,给出了基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法. 首先针对含预应力索单元拉压模量不同分段描述的本构关系,通过引入参变量,导出了基于参变量及其互补方程的统一描述形式,避免了传统算法需要根据当前变形对索单元张紧/松弛状态的预测,提高了算法收敛性. 然后利用拉格朗日应变描述索网天线结构大变形问题,结合几何非线性有限元法,建立了基于参变量的非线性平衡方程和线性互补方程;并给出了牛顿-拉斐逊迭代法与莱姆算法相结合的求解算法. 数值算例验证了本文提出的算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于大型索网天线结构的高精度变形分析和预测.      

On a pure complementary energy principle and a force-based finite element formulation for non-linear elastic cables

A complementary-dual force-based finite element formulation is proposed for the geometrically exact quasi-static analysis of one-dimensional hyperelastic perfectly flexible cables lying in the two-dimensional space. This formulation employs as approximate functions the exact statically admissible force fields, i.e., those that satisfy the equilibrium differential equations in strong form, as well as the equilibrium boundary conditions. The formulation relies on a principle of total complementary energy only expressed in terms of force fields, being therefore called a pure principle. Under the assumption of stress-unilateral behavior, this principle can be regarded as being dual to the principle of minimum total potential energy, corresponding therefore to a maximum principle. Some numerical applications, including cables suspended from two and three points at the same level or at different levels, with both Hookean and Neo-Hookean material behaviors, are presented. As it will be shown, in contrast to the standard two-node displacement-based formulation derived from the principle of minimum total potential energy, the proposed dual force-based formulation is capable of providing the exact solution of a given problem only using a single finite element per cable. Both the proposed principle of pure complementary energy and its corresponding force-based finite element formulation can be easily extended to the case of cables lying in the three-dimensional space.