The stress subspace of hybrid stress element and the diagonalization method for flexibility matrixH

The following is proved: 1) The linear independence of assumed stress modes is the necessary and sufficient condition for the nonsingular flexibility matrix;2. ) The equivalent assumed stress modes lead to the identical hybrid element The Hilbert stress subspace of the assumed stress modes is established So, it is easy to derive the equivalent orthogonal normal stress modes by Schmidt’s method Because of the resulting diagonal flexibility matrix, the identical hybrid element is free from the complex matrix inversion so that the hybrid efficiency is improved greatly The numerical examples show that the method is effective.     

构造杂交应力单元的柔度矩阵H对角化方法

证明了杂交元柔度矩阵 H非奇异的充分必要条件是假设应力模式线性无关 ;以及等价应力模式形成相同的杂交元。在此基础上建立了假设应力模式的 Hilbert子空间 ,从而可以利用 Schmidt方法简单地得到等价的正交应力模式 ,实现了柔度矩阵 H对角化 ,使得杂交元形成过程中完全避免了繁杂的矩阵求逆运算 ,提高了杂交元分析的计算效率 ,特别在柔度矩阵不容易显式求逆的材料非线性分析中更具有实际意义     

杂交元本征应力模式和应力子空间的性质研究

详细讨论了有限元本征应力模式和应力子空间的性质，并着重讨论和进一步完善了与杂交应力有限元应力子空间有关的一些定理，为提出新方法提供了理论基础，主要包括：（1）证明了杂交元特征值不大于对应位移元的特征值；（2）证明了矩阵H非奇异的充分必要条件是假设应力模式线性无关；（3）证明了杂交元所对应位移元的本征应力模式形成的杂交元与该位移元相同；（4）证明了等价假设应力模式形成相同的杂交元；（5）证明了确定杂交元本征应力模式的充分必要条件是其范数平方等于所形成杂交元的变形模态特征值；（6）证明了杂交元假设应力模式与变形模态的能量一一对应的充分必要条件是假设应力模式彼此正交且与所对应位移元的本征应力模式除了一一对应者之外都正交。     

构造满足特征值要求的杂交元应力子空间

通过引进适当参数给出了杂交元应力空间特征值与参数之间的关系,从而可以通过调节参数来构造满足特征值即模态刚度要求的杂交元应力子空间。本在位移元本征应力模式基础上引进调节参数,同时,利用矩阵H对角化方法计算杂交元应力子空间的本征应力模式,然后由此方便有效地计算特征值,从而大大提高了计算效率。本通过建立Q4杂交应力元特征值与参数之间关系说明了这一方法是确定可行的。     

Orthogonal basic deformation mode method for zero-energy mode suppression of hybrid stress elements

A set of basic deformation modes for hybrid stress finite elements are directly derived from the element displacement field. Subsequently, by employing the so-called united orthogonal conditions, a new orthogonalization method is proposed. The resulting orthogonal basic deformation modes exhibit simple and clear physical meanings. In addition, they do not involve any material parameters, and thus can be efficiently used to examine the element performance and serve as a unified tool to assess different hybrid elements. Thereafter, a convenient approach for the identification of spurious zero-energy modes is presented using the positive definiteness property of a flexibility matrix. Moreover, based on the orthogonality relationship between the given initial stress modes and the orthogonal basic deformation modes, an alternative method of assumed stress modes to formulate a hybrid element free of spurious modes is discussed. It is found that the orthogonality of the basic deformation modes is the sufficient and necessary condition for the suppression of spurious zero-energy modes. Numerical examples of 2D 4-node quadrilateral elements and 3D 8-node hexahedral elements are illustrated in detail to demonstrate the efficiency of the proposed orthogonal basic deformation mode method.     

一种抑制杂交元零能模式的假设应力场方法

基于杂交元位移场直接导出可以表示单元任意变形的简单变形模式,同时指出与所有假设应力模式正交的非零变形为零能机动模式,从而可以用简单变形模式方便地识别和抑制单元零能模式。在此基础上利用初始应力模式与简单变形模式的正交性提出一种假设杂交元应力场的有效方法,结合等函数法应力模式组成初始应力模式,不仅可以根据实际问题需要灵活地假设不同分布规律的应力场,而且所形成杂交元完全避免零能机动模式。在数值算例中采用本文方法分别形成了2D-4节点杂交元和3D-8节点杂交元的多种假设应力场,表明本文所提出方法是有效可行的。     

杂交元零能模式抑制的改进基本变形模式方法

基本变形模式方法是构造杂交元假设应力场的一种有效方法,但只给出了识别零能模式的必要条件.论文指出基本变形模式方法由于没有考虑耦合影响而存在应用上的局限,在此基础上利用柔度矩阵的正定性给出了判别零能机动模式的充要条件,并且通过内积向量无关性进一步完善了假设杂交元应力场的基本变形模式方法,可以适用于基本变形模式之间耦合的任...     

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.     

DEFORMATION RIGIDITY OF ASSUMED STRESS MODES IN HYBRID ELEMENTS

The new methods to determine the zero-energy deformation modes in the hybrid elements and the zero-energy stress modes in their assumed stress fields are presented by the natural deformation modes of the elements. And the formula of the additional element deformation rigidity due to additional mode into the assumed stress field is derived. Based on, it is concluded in theory that the zero-energy stress mode cannot suppress the zero-energy deformation modes but increase the extra rigidity to the nonzero-energy deformation modes of the element instead. So they should not be employed to assume the stress field. In addition, the parasitic stress modes will produce the spurious parasitic energy and result the element behaving over rigidity. Thus, they should not be used into the assumed stress field even though they can suppress the zero-energy deformation modes of the element. The numerical examples show the performance of the elements including the zero-energy stress modes or the parasitic stress modes.     

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。     

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．     

一种新的弹塑性杂交应力元法

本文基于一个改进的弹塑性的Hellinger/Reis■ner 混合变分原理构造了一种用于解弹塑性问题的四节点等参杂交应力元.新的模型中,在单元内增加了等效应力增量、塑性等效应变增量及不协调位移变量,从而使单元内的屈服准则及流动法则平均得到满足,不协调位移改进了单元应力精度.计算表明,新的模型可以提高弹塑性杂交法的精度和计算效率.     

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。     

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。     

部分应力杂交动力分析模型的混合变分原理

本文通过对具有单重卷积积分的二类变量的Ｇｕｒｔｉｎ型混合变分原理进行修正，采用“部分应力杂交”的概念，建立了线弹性动力分析 部分应力杂交变分格式，并在此基础上构造出时间有限元模型，这种模型对于分层复合板的动力分析尤其适用。     

金属基复合材料中的热残余应变场及其对材料细观行为的影响

基于SiC／Al基复合材料中的SiC颗粒周期性排布的假设,采用轴对称体胞方法研究了金属基复合材料中的热残余应变场与粒子形状、体积分数等参数间的内在联系;在此基础上,探讨了热残余应变对夹杂内部和基体—夹杂界面的应力集中因子的影响．所得结果对于理解热残余应变对空洞形核的影响有参考价值。     

正交各向异性韧性材料应力-应变关系

采用大变形弹塑性有限元方法分析了各向同性和正交各向异性韧性材料光滑圆棒拉伸试件的颈缩问题．首先给出了采用计算机模拟确定各向同性韧性材料真实应力-应变曲线的具体方法；对正交各向异性韧性材料的分析表明，颈缩截面呈椭圆形，其长短轴方向的等效塑性应变基本上均匀分布，与Bridgman假设一致；轴向拉伸载荷-位移曲线与其它两方向的各向异性参数关系不大．在此基础上，建议了一种确定正交各向异性韧性材料真实应力-应变曲线的方法．     

Coupling of assumed stress finite element and boundary element methods with stress-traction equilibrium

In this study, the stress based finite element method is coupled with the boundary element method in two different ways. In the first one, the ordinary distribution matrix is used for coupling. In the second one, the stress traction equilibrium is used at the interface line of both regions as a new coupling process. This new coupling procedure is presented without a distribution matrix. Several case studies are solved for the validation of the developed coupling procedure. The results of case studies are compared with the distribution matrix coupling, displacement based finite element method, assumed stress finite element method, boundary element method, ANSYS and analytical results whenever possible. It is shown that the coupling of the stress traction equilibrium with assumed stress finite elements gives as accurate results as those by the distribution matrix coupling.     

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。     

从矩阵位移法看有限元应力精度的损失与恢复

矩阵位移法在计算杆端力时须叠加一个“固端力”项，而在有限元法中结点（应）力是直接对位移求导获得的，丢失了“固端力”一项，致使应力的精度大为下降．其实，对于一维有限元，同样可以对结点力叠加一个“固端力”项，使结点内力的精度与位移不相上下，而且这一做法几乎可以直接推广到半解析的有限元线法的二维问题中．本文简要介绍这一最新研究的思路、做法和一些初步的数值结果．