Hahn-Tsai复合材料的非线性杂交应力有限元方法

成功建立了Hahn-Tsai复合材料模型的非线性杂交应力有限元方程,采用Newton-Raphson迭代法求解结构的非线性位移方程。在迭代过程中,为了提高计算效率可采用简单迭代法由节点位移求解单元应力场。但是,当载荷增加到一定程度以后,非线性应力场由于循环迭代而无法收敛,显然,一般的加速方法不能解决这种循环迭代的发散问题。因此,本文发展了一种确实有效的非线性应力场迭代新方法,在不增加计算工作量的情况下,不仅极大地提高了收敛速度,而且对于较大载荷也能够很好地收敛,从而解决了大载荷下非线性杂交元方法失败的关键问题。数值算例表明该方法是确实可行的。     

非线性复合材料的一种杂交应力有限单元方法

建立了非线性复合材料模型的杂交应力有限元方法,并在材料主坐标系下提出直接方法计算单元非线性应力场,然后由此计算单元切线刚度矩阵和剩余载荷并转换到整体坐标系下,利用Newton-Raphson方法进行结构的位移迭代。在Hahn-Tsai非线性复合材料杂交元分析中,由位移和应力方程所导出求解单元非线性应力场的简单迭代法是条件收敛的,对较大载荷当迭代位移增加到一定程度以后无法得到应力收敛解。但是,利用本文提出的直接法由于完全避免了非线性应力场迭代,不仅很好地解决了这一问题,而且极大地提高了计算效率。数值算例说明该方法是确实有效的。     

A study of boundary integral method for a type of nonlinear problem based on generalized quasilinearlization theory

非线性泊松问题在热传导和多孔催化粒子的扩散反应等问题中是非常常见的,为此,利用广 义拟线性化迭代理论,提出了一种非线性泊松问题的新的数值迭代方法. 该方法将非线性方 程转化成一序列线性方程的迭代,其优点是初始值的选取具有一定的理论基础,并且在一定 的初始值条件下,迭代结果将单调地收敛于非线性问题的解. 将此迭代方法与边界元和双互 易杂交边界点方法结合,并用于非线性泊松问题的求解,比较了两种方法的结果精度,收敛 速度及不同初始值下的稳定性. 结果显示,基于拟线性化的双互易杂交边界点法具有较高的 稳定性和计算效率,并且收敛速度为平方阶.     

非线性泊松问题的拟线性化边界积分方法研究

非线性泊松问题在热传导和多孔催化粒子的扩散反应等问题中是非常常见的,为此,利用广义拟线性化迭代理论,提出了一种非线性泊松问题的新的数值迭代方法.该方法将非线性方程转化成一序列线性方程的迭代,其优点是初始值的选取具有一定的理论基础,并且在一定的初始值条件下,迭代结果将单调地收敛于非线性问题的解.将此迭代方法与边界元和双互易杂交边界点方法结合,并用于非线性泊松问题的求解,比较了两种方法的结果精度,收敛速度及不同初始值下的稳定性.结果显示,基于拟线性化的双互易杂交边界点法具有较高的稳定性和计算效率,并且收敛速度为平方阶.     

降落伞膜索非线性有限元模拟

用膜单元和索单元模拟降落伞织物绳索系统,基于完全拉格朗日格式的非线性有限元方法编程计算降落伞的结构动力学特性。采用增量与迭代混合方法改善非线性计算的收敛特性并结合HHT隐式时间推进方法减小整体迭代计算量。使用修正应力应变张量导数的方法模拟膜单元单向应力状态并针对膜单元和索单元分别进行了非线性有限元计算验证。最后针对C-9型降落伞建立三维有限元模型,根据设定流速对伞衣施加均匀压强载荷,将模拟展开的结果与使用相同模型、不同方法商业软件的文献进行对比,显示了隐式非线性有限元方法模拟降落伞膜索系统大变形动力学的能力。     

三维材料非线性问题的分区混合元法

本文构造了用于空间弹塑性分析的杂交混合元。导出了增量形式的分区混合变分原理,由此构造了用于空间弹塑性分析的分区混合元,并提出了一个加速求解非线性有限元方程组的修正的牛顿-拉夫森法迭代收敛的-维搜索格式。文中算例表明:杂交混合元用于空间弹塑性分析可以得到比位移元和杂交元更好的精度;分区混合元兼有较好的精度和算时较省的长处,适用于非线性问题的数值分析;并验证了该一维搜索法是一个有效地加速迭代收敛的方法。     

均布载荷作用下具有光滑中心波纹膜片的非线性分析

采用轴对称旋转壳体的简化Reissner方程，研究了在均布载荷作用下具有光滑中心波纹膜片的非线性弯曲问题。应用格林函数方法，波纹膜片的非线性边值问题化为了非线性积分方程的求解。为了求解积分方程并防止发散，一个插值参数被引入到迭代格式中。计算表明，当载荷很小时，任何插值参数值均能保证迭代的收敛性，取插值参数值接近或等于1获得较快的收敛速度，而当载荷较大时，插值参数值不能取得过大。绘出了波纹膜片的特征曲线，得到的特征曲线可供设计参考。可以断言，当载荷不大时，特征曲线是近似线性的，随着载荷的增大，特征曲线开始向上弯曲，明显偏离线性。本文中提出的解决方法适应于任意轴向截面的波纹壳体。     

结构可靠度响应面法的混沌动力学分析及其改进方法研究

引入混沌动力学理论讨论了结构可靠度响应面法收敛失败的非线性动力学根源.给出了几个典型非线性极限状态函数在参数区间上的可靠指标分岔图,展示了极限状态函数经过响应面法迭代成为非线性映射后计算结果的周期振荡、分岔和混沌等复杂动力学现象,说明了响应面法的收敛行为取决于极限状态函数的动力学性质和响应面法的迭代步长.在此基础上提出了改进响应面法用以改善经典响应面法收敛失败和计算误差大的缺点,算例结果证实了所提方法的可行性与精度.     

结构可靠指标求解的一种新的迭代方法

由国际安全度联合委员会推荐的一次二阶矩可靠度方法是国际工程界公认的一种较好的可靠度分析方法（简称ＪＣ法）。这种方法具有迭代格式简单，收敛快的特点。但许多实际计算表明，这种方法只适用于功能函数非线性程度不高的情况，否则不收敛。本文提出一种新的迭代方法，这种方法迭代格式与ＪＣ法同样简单，一般情况下均能保证收敛．     

一种高效率弹塑性有限元分析新方法：增量杂交／混合修正弦线模量法

本文在文献[1]给出的放松应力增量平衡约束的修正余能广义变分原理基础上,提出一种高效率的弹塑性有限元分析的新方法——增量杂交/混合修正弦线模量法。该法保持了文[1]方法的全部优点,而在迭代过程中,依据材料的单向拉伸应力—应变关系,不断改变过渡区和塑性区单元柔度矩阵和塑性矩阵中的弹性模量;并在体积压缩模量不变假设下,相应地改变过渡区单元矩阵中的泊松系数。从而大大降低了迭代收敛次数和单刚计算量,提高了多类变量弹塑性有限元分析的计算效率和收敛精度。     

结构安定分析的Galerkin边界元方法

基于Melan静力安定定理,利用Galerkin边界元方法建立了多组交变载荷作用下结构安定分析的下限计算格式.在给定载荷域的载荷角点所对应载荷作用下,采用Galerkin边界元法计算相应的虚拟弹性应力场,并且利用结构在Galerkin边界元弹塑性增量计算中同一增量步中不同迭代步之间的应力差作为自平衡应力场的基矢量,通过这些基矢量的线性组合构造了自平衡应力场,大大降低了所形成的数学规划问题的未知变量数.并通过复合形法对非线性规划问题直接进行求解,得到了结构在交变载荷作用下的下限安定乘子.计算结果表明,所采用的方法具有较高的精度和计算效率.     

一类非线性系统载荷识别的组合迭代法

针对一类非线性系统提出了一种新的载荷识别方法,组合迭代法.该方法通过有限元方法和主动控制方法组合迭代来实现一类非线性系统的载荷识别.首先将非线性系统的有限元模型模态缩减成简化模型,由简化模型组成主动控制的被控对象;然后在选定的控制律下,设计控制调节器,使该系统监测点的响应功率谱密度达到预定谱,从而得到系统激励,即被识别的载荷;最后由非线性有限元响应验证载荷的合理性.对圆锥壳-包带组合系统载荷识别的数值研究表明了组合迭代法的有效性.该方法为导弹、宇宙飞船、航天飞机、火箭等航天航空结构振动试验的载荷识别提供指导作用,将促进航天航空事业的发展.     

A SOLUTION PROCEDURE FOR LOWER BOUND LIMIT AND SHAKEDOWN ANALYSIS BY SGBEM

The symmetric Galerkin boundary element method (SGBEM) instead of the finite element method is used to perform lower bound limit and shakedown analysis of structures. The self-equilibrium stress fields are constructed by a linear combination of several basic self-equilibrium stress fields with parameters to be determined. These basic self-equilibrium stress fields are expressed as elastic responses of the body to imposed permanent strains and obtained through elastic-plastic incremental analysis. The complex method is used to solve nonlinear programming and determine the maximal load amplifier. The limit analysis is treated as a special case of shakedown analysis in which only the proportional loading is considered. The numerical results show that SGBEM is efficient and accurate for solving limit and shakedown analysis problems. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 19902007), the National Foundation for Excellent Doctorial Dissertation of China (No. 200025) and the Basic Research Foundation of Tsinghua University.     

Thermal buckling of axisymmetrically laminated cylindrically orthotropic shallow spherical shells including transverse shear

The nonlinear thermal buckling of symmetrically laminated cylindrically orthotropic shallow spherical shell under temperature field and uniform pressure including transverse shear is studied. Also the analytic formulas for determining the critical buckling loads under different temperature fields are obtained by using the modified iteration method. The effect of transverse shear deformation and different temperature fields on critical buckling load is discussed.     

弹塑性板壳结构非线性有限元分析

本文根据塑性流动理论的基本公式，由隐式积分导出了与路径无关的变量更新算法和一致切线模量。采用单元广义应力应变直接离散塑性流动定律，构造了杂交应力单元一致切线刚度矩阵的显式表达式，编制了结构有限元程序ＳＡＦＥ，数值算例表明：本文的计算方法和计算程序是正确可靠的，可用于弹塑性板壳结构的非线性分析，计算结果屈曲临界载荷和极限承载能力。     

尖锐夹杂角端部局部应力场杂交有限元分析

本文首先利用作者曾提出的一维有限元特征分析方法计算所得到的尖锐夹杂角端部应力奇异指数和奇异应力场、位移场角分布函数,并依据Hellinger-Reissner原理,开发出了一个特殊的、能够反映夹杂角端部局部弹性现象的n结点多边形超级角端部单元,然后将该超级单元与标准的4结点杂交应力单元耦合在一起构建了一种分析异形夹杂角端部奇异弹性场的新型特殊杂交应力有限元方法.文中给出了两个应用算例,算例结果表明:本文方法不仅使用单元少、计算结果精度高,而且适用范围广,可拓展应用于分析复合材料微结构组织与力学行为关系.     

具有随机参数的含裂纹板弯曲应力强度因子的统计分析

本文首次应用随机有限元法研究了具有随机参数的含裂纹板裂纹尖端弯曲应力强度因子的统计性质。文中首先给出了杂交模式的裂纹尖端奇异单元的刚度矩阵,然后基于随机场的局部平均理论和一阶泰勒展开得到了应力强度因子均值和方差的计算公式。作为数例,详细讨论了杨氏模量、泊松比及板厚度的不确定性对应力强度因子的影响。     

周期分布多边形夹杂奇异性应力干涉问题的研究

采用一种新型的杂交元模型和一种单胞模型来解决周期分布多边形夹杂角部的奇异性应力相互干涉的问题。新型杂交元模型是基于广义Hellinger-Reissner变分原理建立的,其中奇异性应力场分量和位移场分量是采用有限元特征分析法的数值特征解得到的。使用当前的新型杂交元模型,只需要在夹杂角部邻域的周界上划分一维单元,避免了像传统有限元模型那样需要划分高密度二维单元。文中给出了代表奇异性应力场强度的夹杂角部广义应力强度因子数值解,并考虑材料属性、夹杂尺寸和夹杂位置关系的影响。算例中,考虑了夹杂和基体完全接合的情况,并给出了考核例。结果表明:当前模型能得到高精度数值解,且收敛性好;与传统有限元法和积分方程方法相比,该模型更具有通用性,为非均质材料的细观力学分析打下了基础。