离散元与壳体有限元结合的多尺度方法及其应用

在深入研究复杂结构和非均质材料冲击响应和破坏机理的过程中,往往遇到多尺度计算问题。本文尝试建立三维离散元与壳体有限元结合的多尺度方法用于处理圆柱壳问题,该方法采用三维离散元对感兴趣的局域进行局部模拟,利用平板壳体有限元进行整体模拟,采用一种特殊的过渡层使离散元区和有限元区能很好的衔接。我们将这一方法应用于激光辐照下充压柱壳的热/力耦合冲击破坏响应,得到的模拟结果与文献报道有较好的吻合。     

塑性节点法的研究及其在薄壳结构中的应用

本文采用变分原理及离散塑性流动定律假设研究了弹塑性有限元的新方法—塑性节点法及其所表示的物理意义。结果表明:该方法的物理实质是所述的塑性流动定理的离散。在一般意义下,本文对其进行了修正,典型板壳例题和复杂壳体结构的弹塑性有限元分析显示,计算结果与文献资料和实验数据符合较好。证明用文中方法进行壳体结构的弹塑性分析是行之有效的和可靠的。     

轮胎结构分析的一般壳体精化理论

基于一般壳体理论和Reddy型剪切精化理论，发展出适用于充气轮胎的结构非线性分析的一般壳体精化理论。为获得一个具有解析结构的近似解，将Bezier多项式用于分片描述轮胎几何形状和位移场，应用Rayleigh-Ritz法构造轮胎在充气内压作用下的内力，变形和层间应力的解，这一模型具有任意铺层性，复杂曲面逼近便捷和求解精度可控等优点。为比较起见，文中还对轮胎结构作了三维有限元数值分析。两种方法的综合比较表明，该文提出的轮胎模型不仅预测结果精确，而且大大节省计算量。     

等几何壳体分析与形状优化

首先基于Reissner-Mindlin理论进行了三维壳体等几何分析,而后基于此对三维壳体进行形状优化,提出了形状优化中灵敏度的全解析计算方法,包括位移应变阵、雅克比阵和刚度阵等相对控制顶点位置的灵敏度解析计算公式;通过实例验证了壳体等几何分析和灵敏度全解析计算方法的有效性。与传统的基于网格的灵敏度半解析计算方法相比,基于NURBS的灵敏度全解析计算具有精确、计算效率高的特点,且可以避免优化迭代中的网格畸变。     

等几何壳体分析与形状优化

首先基于Reissner-Mindlin理论进行了三维壳体等几何分析,而后基于此对三维壳体进行形状优化,提出了形状优化中灵敏度的全解析计算方法,包括位移应变阵、雅克比阵和刚度阵等相对控制顶点位置的灵敏度解析计算公式;通过实例验证了壳体等几何分析和灵敏度全解析计算方法的有效性。与传统的基于网格的灵敏度半解析计算方法相比,基于NURBS的灵敏度全解析计算具有精确、计算效率高的特点,且可以避免优化迭代中的网格畸变。     

控制棒驱动机构步跃提升碰撞的动力学建模

控制棒驱动机构(CRDM)在步跃提升时,钩爪部件会与承压壳体上的提升磁极发生面面碰撞。本文基于混合坐标法建立控制棒驱动机构有限元离散的刚-柔耦合动力学方程,用罚函数法计算了钩爪部件与承压壳体之间的碰撞力和应力分布情况。结果表明,刚柔耦合多体方法在仿真小变形碰撞时可以提高计算效率,同时又能达到与有限元方法同等的精度。进一步对碰撞模型不同区域的网格疏密和尺寸大小做了定量分析,得到了降低有限元网格数量的方法,可为工程中碰撞模型的网格划分提供参考。     

多层复合壳体三维振动分析的谱——微分求积混合法

对于较厚的多层复合壳体,其振动位移沿厚度方向呈锯齿形变化且层间剪切和拉、压应力呈三维耦合状态,采用传统的等效单层理论分析已不能满足精度要求. 建立不受结构厚度、铺层材料性质和铺层方式限制的三维分析方法具有重要的研究价值. 本文以独立铺层为建模对象,结合广义谱方法与微分求积技术建立了一种适用一般边界条件和铺层方式的多层复合壳体三维分析新方法——谱--微分求积混合法. 该方法应用三维弹性理论对独立铺层进行精确建模,有效克服了二维简化理论对横向变形以及层间应力估计不确切的缺点;引入微分求积技术对铺层进行数值离散,将三维偏微分问题转化为二维偏微分问题,降低了求解维度和难度;应用广义谱方法近似地表述离散计算面上的场变量,将获取的二维偏微分方程转化为以场变量谱展开系数为未知量的线性代数方程组,避免了对超越方程的求解. 数值验证结果表明该方法收敛性好,计算精度高.      

多层复合壳体三维振动分析的谱-微分求积混合法

对于较厚的多层复合壳体,其振动位移沿厚度方向呈锯齿形变化且层间剪切和拉、压应力呈三维耦合状态,采用传统的等效单层理论分析已不能满足精度要求.建立不受结构厚度、铺层材料性质和铺层方式限制的三维分析方法具有重要的研究价值.本文以独立铺层为建模对象,结合广义谱方法与微分求积技术建立了一种适用一般边界条件和铺层方式的多层复合壳体三维分析新方法——谱-微分求积混合法.该方法应用三维弹性理论对独立铺层进行精确建模,有效克服了二维简化理论对横向变形以及层间应力估计不确切的缺点;引入微分求积技术对铺层进行数值离散,将三维偏微分问题转化为二维偏微分问题,降低了求解维度和难度;应用广义谱方法近似地表述离散计算面上的场变量,将获取的二维偏微分方程转化为以场变量谱展开系数为未知量的线性代数方程组,避免了对超越方程的求解.数值验证结果表明该方法收敛性好,计算精度高.     

一种变厚度的精化壳体理论及其应用

在Reddy型高阶壳体理论的基础上，采用沿壳体厚度方向的剪切应变呈抛物线分布并且能够满足在壳体的上下表面为零的假设，发展出了一种适合于对变厚度壳体进行非线性分析的方法。该方法利用Ritz原理得到问题的控制方程。通过对一种典型的变厚度壳体结构（子午线轮胎）的结构分析，该方法的计算结果与商用有限元软件的三维分析结果能够很好的吻合。表明了该方法的适用性和有效性。     

弹性半空间二维出平面自由波场的一维化时域算法

提出了一种计算出平面SH波斜入射时弹性半空间自由波场时域计算的一维化有限元方法。首先利用Snell定律确定平面波沿水平方向的传播规律,在用有限元法对弹性半空间进行离散化时,竖向单元尺寸根据波动有限元模拟精度要求确定,而水平向有限元网格尺寸根据水平向波的传播规律和采用的离散时间步长确定,使得有限元离散模型中任意节点的运动可以用水平向相邻节点的运动表示,从而将二维有限元节点运动方程组化为一维的形式。求解此一维方程组,可得到弹性半空间中一列节点的运动,再根据行波的传播规律,可确定全空间自由波场。理论分析和数值算例表明,该方法具有较高的精度和良好的稳定性。     

基于Bezier曲面的子午线轮胎自由振动分析

基于一般壳体理论和Reddy型剪切精化理论，发展出适用于充气轮胎自由振动分析的曲面壳模型，为获得近似解。用Bezier函数描述分片的轮胎几何形状和位移场，应用Ritz法构造轮胎的内力，菜从而获得充气轮胎在自由状态下的固有频率特性；讨论了充气压力对轮胎自由振动的影响，与有限元数值解的试验值综合比较表明，当前方法的计算结果不仅精确可靠，而且大大节省计算量。     

求解位势问题的虚边界元法

本文提出了求解位势问题的虚边界元法，建立了位势问题的虚边界元的离散方程式，推导了离散化求系数的积分解析式。该方法与传统边界元法相比具有不存在奇异积分和边界附近精度较高等优点，可用来计算真空静电场、稳定温度场、流体绕流、介质中的渗流等各类位势问题。大量算例均获得了满意的结果。     

求解位势问题的虚边界元法

本文提出了求解位势问题的虚边界元法，建立了位势问题的虚边界元的离散方程式，推导了离散化求系数的积分解析式。该方法与传统边界元法相比具有不存在奇异积分和边界附近精度较高等优点，可用来计算真空静电场，稳定温度场，流体绕流，介质中的渗流等各类位势问题，大量算例均获得了满意的结果。     

基于区域分解的薄壁回转壳自由振动分析

提出了一种区域分解法来分析不同组合边界条件的薄壁回转壳的自由振动.首先沿壳体母线方向将壳体分解为一些自由壳段,并采用广义变分和最小二乘加权残值法将壳体分区界面上的位移协调方程引入到壳体的势能泛函中;然后将壳段位移变量以Fourier级数和Chebyshev多项式展开,对总的势能泛函变分后得到回转壳的离散动力学方程.采用区域分解法分析了不同边界条件的圆柱壳、圆锥壳、抛物壳的自由振动,并将计算结果与其它文献值及 ANSYS 结果对比,结果表明:随着回转壳分区数目的增大,区域分解法计算出的壳体频率很快收敛;本文结果与其它方法计算结果非常吻合(相对误差不超过0.4%).采用该方法可高效计算不同组合边界条件回转壳体的低阶和高阶振动频率.     

基于Layerwise离散层理论的复合材料夹层板屈曲分析

复合材料夹层结构由于面板和芯层力学特性差异较大,屈曲分析时要分层考虑各层的剪切变形。基于Reddy的Layerwise离散层理论,假设每一层变形服从一阶剪切变形理论,在统一的位移场描述下,推导建立了一种用于复合材料夹层结构屈曲分析的四节点四边形板单元,并采用混合插值方法对单元的剪切锁定进行了修正。分别对三种典型的夹层板结构进行线性屈曲有限元分析,并将计算结果与文献中已有结果进行了对比。结果表明：本文的分析方法能离散考虑各层的力学特性,将结构离散为多层时,计算结果与三维弹性理论或高阶板理论吻合;将结构等效为单层时,计算结果与基于一阶剪切变形理论的文献结构吻合,验证了单元的有效性。     

基于实验模态分析的点阵夹层结构动态性能预测

引入均一化等效理论,对金字塔型结构芯体夹层材料的芯体弹性常数进行均一化等效处理,并将其用于研究该夹层材料结构的动态性能．同时采用三维（3D）离散有限元模型计算了结构的动态性能．为验证了理论预测的正确性,设计并制备了金字塔点阵悬臂梁,进行了实验模态分析,将实验结果与理论计算的各阶自振频率进行了比较．结果表明：该模型对低阶自振频率的计算结果与实验结果、3D离散有限元模型计算结果吻合得都比较好,一阶自振频率误差不到5％,其它误差在10％左右．     

轴对称壳体子单元弹塑性分析

在壳体的弹塑性分析中。当壳体的材料从某一个表面开始进入塑性变形范围时,应力和应力-应变关系沿壳体厚度不再成线性变化,因而不能由显式得到应力沿壳厚的积分值,必须在有限单元法计算中应用数值积分。本文在以直母线锥形单元离散轴对称壳体结构的前提下,进一步以子单元离散锥形单元,使得原来一个必须用三维屈服曲面描述的弹塑性问题能以二维屈服曲面来表征。 本文取用了Prandtle-Ruess塑性坛量理论的等向强化Mises屈服准则的本构方程。非线性结构平衡方程以载荷坛量切线模量法求解。为提高解方程的精度,本文应用了-阶自修正技巧。 为验证理论计算的精度和可靠性,本文把理论计算结果与加劲圆柱壳型性试验值作了比较,两者结果相当一致。     

船壳内力分析的一种实用弹性壳体理论的建议

大约是作者首次应用实用弹性壳体理论[2]于船壳计算[1],之后,按实际背景需要,又建立了一种变断面的改进的理论[3].根据实测数据[4]及有限元计算结果[5],结合船壳内力计算的经典方法,本文进一步在文[3]的基础上,计及纵向弯、扭和横压,建立了一种再经改进的理论.     

基于区域分解的环肋圆柱壳-圆锥壳组合结构振动分析

提出了一种区域分解法来分析不同边界条件下环肋骨圆柱壳-圆锥壳组合结构的振动特性.首先把组合壳体分解为自由的圆柱壳、圆锥壳段;视环肋骨为离散元件,根据肋骨与圆柱壳段之间的变形协调条件,将肋骨的动能和应变能附加于圆柱壳段能量泛函中.然后基于分区广义变分和最小二乘加权残值法将所有分区界面的位移协调方程引入到组合壳体的能量泛函中.圆柱壳段、圆锥壳段位移变量的周向和轴向分量分别采用Fourier级数和Chebyshev多项式展开.以自由-自由、自由-固支和固支-固支边界条件的环肋骨组合壳体为例,采用区域分解法分析了其自由振动及在不同激励下的振动响应.通过与有限元软件ANSYS结果进行对比,发现两种方法计算结果非常吻合,验证了区域分解方法的计算精度和高效性.     

圆柱壳孔边裂纹应力强度因子的计算和分析

从Reissner壳体理论出发,将“局部-整体分析法”应用于圆柱壳孔边裂纹问题,比较精确地计算了圆柱壳孔边轴向裂纹和环向裂纹的应力强度因子,获得了应力强度因子随壳体几何尺寸、开孔大小及剪切刚度变化的规律。以作者在文[7,8]中的有限元分析结果为基础,推广Petroski-Achenbach方法,建立圆柱壳孔边裂纹问题的权函数,分析计算了圆柱壳孔边裂纹问题,获得了较好的结果,最后给出了便于工程应用的较精确的计算鼓胀系数的近似公式。