求解预定位移水平的改进弧长法

为了在使用弧长法进行结构非线性分析时能够收敛到指定的位移,基于广义弧长的概念,对传统弧长法进行改进。改进后的方法不仅能够自动跟踪结构非线性平衡路径,同时能求得位于结构平衡路径的任意区段的任意预定位移时的受力状态。数值算例表明本文计算方法的精确度、效率以及可靠性较好。     

非线性方程组的解法:局部弧长法

描述了一个新的非线性方程组的求解方法——局部弧长法．该方法是在弧长法的基础上发展起来的适合于材料非线性有限元分析的数值解法．其约束方程充分利用了结构中破坏区域内的非线性变形信息，有效地解决了材料非线性分析中的稳定性与收敛性问题．数值计算表明，该方法不仅适合于求解结构的极限承载能力，也适合于求解结构达到极限承载参力以后的荷载－变形的全过程     

爆炸冲击波强间断问题的高阶伪弧长算法研究

为了提高对冲击波强间断处的分辨率,通过引入弧长参数,使网格自适应地朝着间断处移动,并结合高精度WENO数值格式,进而达到了对大梯度物理量的高分辨率捕捉。针对网格移动造成的非均匀和非正交现象,通过坐标变换,使得计算过程在均匀正交的计算空间中进行。通过和有限体积下的数值结果对比,结合数值误差分析,可以看到高阶伪弧长数值算法不仅保证了高精度而且对间断的捕捉更加明显,在间断附近解的整体光滑性较好,网格的自适应移动使得解的奇异性得到了削弱,因此可以削弱高阶格式容易引起数值振荡这个缺点。最后采用高阶伪弧长算法计算了化学反应流问题,结果表明高阶伪弧长算法有着较快的收敛率,对于解决爆炸与冲击强间断问题有着较为明显的优势。     

双曲偏微分方程的局部伪弧长方法研究

重点研究了局部伪弧长方法在处理偏微分方程,尤其是双曲型偏微分方程出现激波间断的奇异性问题,对比分析了全局伪弧长方法空间转化的形式及其网格自适应的性质。为提高求解效率,提出了局部伪弧长方法,利用激波间断的性质,给出了判断奇异点位置以及模板选择的方法,涉及如何处理激波振荡,如何引入弧长参数,以及怎样求解间断等问题。通过数值算例验证了局部伪弧长在激波捕捉和追踪方面的可行性,通过比较局部伪弧长方法与Godunov方法处理不同初值条件的双曲问题,显示出局部伪弧长方法处理双曲偏微分方程的优越性,为伪弧长方法应用到物理问题奠定基础。     

各向异性弹塑性中厚度板壳的有限元分析

本文在文献［２，３］的基础上，提出了一个解各向异性弹塑性中厚度板壳问题的有限元方法。考虑材料各向异性的特点，采用了Ｈｉｌｌ推广的Ｈｕｂｅｒ－Ｍｉｓｅｓ屈服准则；借用Ｏｗｅｎ的剪切修正系数，正确计及了叠层复合材料壳体的横向剪切效应；为了避免“自锁”现象，文中采用了９节点的Ｈｅｔｅｒｏｓｉｓ二次壳单元；特别是本文利用插值外推的思想，提出了一个带预测的弧长增量控制法，显著提高了确定变形路径的计算效率。几个数值算例表明本文给出的有限元方法对于各向异性中厚度板壳的弹塑性分析有较好的精度，尤其是对具有复杂变形路径的结构计算，收敛速度提高更快。     

Nonlocal continuum model for large deformation analysis of SLGSs using the kp-Ritz element-free method

A geometrically nonlinear large deformation analysis of SLGSs is presented using the element-free kp-Ritz method. Classical plate theory (CLP) is applied to describe the geometrically nonlinear behavior of SLGSs. Nonlocal elasticity theory is incorporated into CLP to take the small-scale effect into consideration. The system nonlinear equations are derived from the Ritz procedure based on the total Lagrangian formulation. The modified Newton–Raphson method and arc-length continuation are employed to solve the nonlinear equations. The efficiency of the element-free kp-Ritz method is verified through comparison with results reported in previous research. Numerical cases are studied to examine the influence of boundary conditions, aspect ratio, side length and nonlocal parameters on the nonlinear large deformation behavior of SLGSs. An interesting phenomenon is observed in that the nonlocal parameter effect is related to the mathematical expression of the transverse load.     

A local pseudo arc-length method for hyperbolic conservation laws

A local pseudo arc-length method（LPALM）for solving hyperbolic conservation laws is presented in this paper.The key idea of this method comes from the original arc-length method,through which the critical points are bypassed by transforming the computational space.The method is based on local changes of physical variables to choose the discontinuous stencil and introduce the pseudo arc-length parameter,and then transform the governing equations from physical space to arc-length space.In order to solve these equations in arc-length coordinate,it is necessary to combine the velocity of mesh points in the moving mesh method,and then convert the physical variable in arclength space back to physical space.Numerical examples have proved the effectiveness and generality of the new approach for linear equation,nonlinear equation and system of equations with discontinuous initial values.Non-oscillation solution can be obtained by adjusting the parameter and the mesh refinement number for problems containing both shock and rarefaction waves.     

弧长法在服役石油井架非线性全过程仿真中的应用研究

针对服役石油井架的结构特点,考虑几何和材料双重非线性因素,建立了非线性数学分析模型。采用弧长法对荷载-位移平衡路经进行了全过程跟踪研究;对服役井架提出了基于应力和模态进行模型修正、建立基准仿真模型的方法。以油田使用的两部石油井架为例进行仿真分析,结果表明:在屈服点以前,载荷位移曲线基本呈线性关系;载荷值达到临界点之后,位移值迅速增大,而载荷降低,井架结构失稳。应用该方法来跟踪结构非线性平衡路径的全过程可以实现其非线性全过程的仿真分析,能够确定井架的失稳状态、破坏形式、极限承载力,得到令人满意的结果,具有一定的实用价值,适合工程应用。     

求解力电耦合方程的控制弧长法

静电作用下的柔性薄板是微电机械的核心部件,其控制方程是变形控制方程和静电平衡方程构成的一组非线性耦合方程.本文在分别给出求解这两组方程数值方法的基础上,把控制弧长法进行了合理的推广,变直接加载电压为由构型控制的电压加载方式.结果表明这种方法不仅能够克服收敛性难的问题,而且能够得到致动板吸入失稳后的构形.算例还表明用本方法计算的吸入临界值要比用解析模型得到的临界值更接近实验值.     

空间杆系与叠层板组合结构的非线性稳定分析

本文用非线性有限元法研究一种空间杆系与复合材料叠层板组合结构的非线性稳定问题。将杆系离散成空间梁柱单元，将复合材料叠层板离散成复合材料叠层板单元，并考虑了几何非线性和板的成层正交各向异性性质。为了获得较高的计算效率并顺利通过稳定临界点，求解非线性平衡方程采用了变增量步长和柱面弧长法迭代策略。在考证了程序的正确性之后，具体分析了几个工程模型，得出了于工程设计有益的结论。     

结构非线性分析中求解预定荷载水平的改进弧长法

本文对目前广泛应用于结构非线性分析之中的弧长法进行改进。改进后的弧长法除保持原有优点外，能够在自动跟踪结构非线性平衡路径的同时，进一步求得位于结构平衡睡径任一区段的任意预先指定的荷载水平及相应的变形。本文的方法可以推广应用于求解预先指定的应力或位移。数值算例表明了本文方法的计算精度、效率及可靠性。     

Elastic nonlinear stability analysis of thin rectangular plates through a semi-analytical approach

A semi-analytical approach to the elastic nonlinear stability analysis of rectangular plates is developed. Arbitrary boundary conditions and general out-of-plane and in-plane loads are considered. The geometrically nonlinear formulation for the elastic rectangular plate is derived using the thin plate theory with the nonlinear von Kármán strains and the variational multi-term extended Kantorovich method. Emphasis is placed on the effect of destabilizing loads and on the derivation of the solution methodologies required for tracking a highly nonlinear equilibrium path, namely: parameter continuation and arc-length continuation procedures. These procedures, which are commonly used for the solution of discretized structural systems governed by nonlinear algebraic equations, are augmented and generalized for the direct application to the PDE. The boundary value problem that results from the arc-length continuation scheme and consists of coupled differential, integral, and algebraic equations is re-formulated in a form that allows the use of standard numerical BVP solvers. The performance of the continuation procedures and the convergence of the multi-term extended Kantorovich method are examined through the solution of the two-dimensional Bratu–Gelfand benchmark problem. The applicability of the proposed approach to the tracking of the nonlinear equilibrium path in the post-buckling range is demonstrated through numerical examples of rectangular plates with various boundary conditions.     

弯梁斜跨拱桥合理恒载状态研究

弯梁桥和拱桥相互协作形成的弯梁斜跨拱桥,充分结合了弯梁桥的行车舒适性与拱桥易于布索的特点,大幅度提高了弯梁的跨越能力。本文首先综合斜拉桥索力调整和拱桥合理拱轴线设计方面的经验,研究弯梁斜跨拱桥合理恒载状态的实用设计方法;然后提出了约束松弛的二次规划算法和基于刚度矩阵减少重分析的策略,提高计算的收敛性和求解速度;最后经实桥分析指出设计中应注意的问题,为弯梁斜跨拱桥的应用提供依据。     

计算动力学中的伪弧长方法研究

动力学问题通常采用微分方程来描绘,但由于工程实际问题的复杂性,微分方程模型常伴随着解的不连续性、刚性或激波间断奇异性特点,传统方法很难求解,奇异性问题是计算动力学难点,同时也是国内外学者研究的热点.伪弧长数值算法是针对计算动力学中的奇异性问题所提出的,其基本思想为通过在解曲线上引入伪弧长参数,并增加一个约束方程,在伪弧长参数作用下,使得原始离散单元发生扭曲形变,从而达到消除或减弱奇异性的目的.本文首先介绍伪弧长方法求解定常对流-扩散方程的奇异性问题,并提出针对双曲守恒定律的局部伪弧长算法,其思想在于首先通过间断解的梯度变换来确定强间断所处位置,进而通过局部网格点重构以及数值修正来达到强间断处奇异性消除与降低的目的.针对高维问题,提出全局伪弧长方法,通过对整个计算区域内的网格点进行重构,使得所有网格点向奇异间断点处移动,从而降低间断点的影响域,达到降低奇异性的目的.重点讨论了三维全局伪弧长算法问题的计算难点,即三维空间网格扭曲大变形导致的数值算法不收敛,并提出在算法设计过程中采用分块重构与整体计算相结合的策略,实现了三维空间中的伪弧长数值算法,最后通过数值实验来验证伪弧长算法对于奇异性问题的有效性.     

影响结构优化理性准则法优化效果的关键问题研究

深入仔细分析决定理性准则法优化效果与优化效率的关键问题——准则是否准确和迭代计算是否收敛。首次提出：在结构优化中,重量作为设计资源除有改善结构性能的一面之外,还会有作为载荷导致结构性能劣化的矛盾的另一面。虚功准则方程组忽略载荷导数,无法考虑重量矛盾作用的另一面,这种忽略不能视为合理近似。因为对于航空航天器、高精度天线和高速运行的机械、车辆等以自重和惯性载荷为主的一大类工程结构,这种忽略导致虚功法,得到的解离最优解相差甚远。导重准则法是严密推导的理性准则法,克服了虚功法准则不准的缺陷,优化效果大幅度提高。理性准则法最后归结为非线性准则方程组的迭代求解,由于工程结构优化的准则方程组难以满足其严格的收敛条件,而可采用步长因子法求解,可以证明使迭代收敛的步长因子一定存在,并可给出步长因子理论取值范围和实际取值方法。以十杆桁架考题和两个天线结构优化为例验证了以上论点。     

加筋板的非线性相关屈曲研究

本文将线性样条有限条理论推广到大挠度弹塑性范围,建立了样条有限条非线性分析方法,成功地分析了纵向加筋板结构局部与整体稳定相关作用对其极限承载能力的影响.采用弧长法和Newton-Raphson迭代求解非线性刚度方程,可获得包括峰值点在内的一条完整的荷载—挠度曲线.分析中考虑了加筋板结构的初曲和残余应力的影响,使得计算结果更具实用价值.     

非线性复合材料杂交应力有限元的有效迭代方法

推导了面内剪应力应变关系非线性的复合材料的杂交应力有限元列式,给出了位移迭代和应力迭代的策略和步骤．提出一种非线性应力场迭代格式的改进方案,不仅提高了收敛速度,而且克服了大载荷下简单迭代法循环迭代而无法收敛的关键问题,使得所提出的非线性杂交应力元方法几乎对任意大载荷都能够收敛．数值算例表明该方法是确实可行的．     

爆轰波强间断问题的伪弧长算法及其人为解验证

针对该问题开展了伪弧长数值算法研究,通过引入弧长参数,使网格按照一定的形式自适应移动,达到在强间断区域自动加密的效果,从而提高网格分辨率。基于伪弧长算法编写了二维程序,并对程序进行人为解方法验证。将伪弧长算法和直接有限体积法的数值结果进行对比,通过误差分析,显示出伪弧长算法能有效提高计算精度。最后将伪弧长算法应用于气相爆轰波在二维管道中的传播问题,研究了波阵面的捕捉效果和爆轰波胞格结构的形成过程。     

Nonlinear bending of corrugated diaphragm with large boundary corrugation under compound load

IntroductionCorrugateddiaphragmisatypeofelasticthinshells .Itsdesignisverycomplicatedbecauseoftoomanyparametersthatinfluenceeachother.Inanumberofinstrumentsmeasuringdisplacements,corrugateddiaphragmissubjectedtoelasticdisplacementthatisatleastthesameorderasitsthickness,sothatitisnecessarytousegeometricalnonlineartheoryofthinshellstoanalyze.Sofarasweknow ,inmostcases,investigatorsdiscussedonlytheproblemofcorrugateddiaphragmwithuniformanddensecorrugationsundertheactionofaunique(uniformlyorconcen…     

碳纤维长度与取向对纸基摩擦材料热负荷及摩擦学性能影响

采用湿法成型工艺制备了碳纤维长度为0.1~12 mm的5种碳纤维增强纸基摩擦材料.采用梯度能量试验方法测试了所制备材料承载热负荷的能力以及在各级能量负荷条件下的摩擦磨损性能.借助扫描电镜及热导率测试仪,研究了材料承载热负荷的机理.结果表明:碳纤维长度与取向对材料的热负荷及摩擦学性能有显著影响;当碳纤维长度为6 mm时,材料承载热负荷的能力最高;长度为3~12 mm的碳纤维能够在摩擦面形成稳固的框架结构,使材料在不同能量负荷条件下保持稳定的摩擦磨损性能;纤维长度对碳纤维在材料中的排列取向有直接影响,垂直于摩擦面排列的碳纤维能够显著提高材料的热导率并降低材料所承受的最大功率密度.