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。     

三维无网格Galerkin结构分析方法及其应用研究

针对无网格Galerkin法在三维复杂几何形状的结构分析中存在的刚度矩阵的稀疏存储实现难、六面体背景网格适应性差等问题,本文采用逐节点对法组装刚度矩阵,利用CSR格式存储刚度矩阵,提出了一种基于四面体背景积分的改进的三维无网格Galerkin法。通过采用罚函数法施加对称约束和给定位移值约束,并推导出了施加这两种位移约束的统一格式。利用所提算法完成了三维悬臂梁的计算,所得结果与其理论解相吻合;完成了轴流式风机轮毂的结构分析,得到的位移与应力分布结果与其有限元解相吻合。这表明本文所提方法能满足工程应用中的计算要求,并适用于具有复杂形状的几何模型分析。     

基于非线性梁理论的有限质点法

有限质点法是以向量式力学为基础,用有限数量的质点来模拟结构的变形行为,质点的运动由牛顿运动定律来计算。在有限质点法中,质点通过构件相连,构件约束着质点的运动,并且其内力由质点的运动变量来描述。基于向量式力学的基本思想和非线性梁理论,提出了一种新的有限质点法,该方法在共旋单元坐标系中描述梁的非线性变形。以空间梁系结构为例,推导了计算构件内力的非线性公式,并考虑了弯扭耦合变形。通过两个连续欧拉角的变换公式得到共旋坐标系的旋转矩阵。与传统的有限质点法相比,本文提出的方法避免了刚体虚转动分析。通过四个结构的数值求解,验证了本文方法在计算结构大变形响应时具有较高的精度。     

三质点共线碰撞问题的理论分析

以三质点弹性碰撞系统为例，考虑质点之间相互作用时局部的接 触变形信息，并基于矩阵函数理论得到了三质点弹性碰撞系统Hamilton空间中的严格理论 解. 基于理论分析结果，详细讨论了不同质点之间的质量比以及接触刚度比对质点碰撞后的 动力学行为的影响，包括可能产生的不同分离模式，接触点的分离次序，以及由此可能导致 的内碰撞现象等.     

刚接与铰接混合连接杆系结构的几何非线性分析

本文提出用子结构原理解决具有刚接与铰接混合连接空间杆系结构的几何非线性分析,实现其非线性稳定性分析的载荷-位移全过程跟踪。该法无须单独推导刚接、铰接以及一端刚接一端铰接单元的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵,而可以直接由空间梁单元退化得到,而且可以将平面问题与空间问题、刚接与铰接混合连接体系进行统一处理,算例表明,本文方法对于杆系结构的统一和整体分析是有效的。     

样条有限点法分析板的几何非线性问题

1.引言对于板壳几何非线性问题,一般情况下,很难求得它的精确解,因此求解非线性问题数值解的各种近似方法便不断提出,其中一种途径就是运用Y.K.Cheung(张佑启)教授提出的有限条法。有限条法特别适用于具有一定规则形状的板壳结构(例如矩形板、圆柱形板、圆柱形壳、箱形桥梁以及折板结构等等)的线性与非线性分析。其解题规模比有限单元法大大缩小,而又保持了一定的通用性。在有限条法中,位移试函数用多项式与梁函数的乘积形式给出。     

细分曲面边界元法的黏附吸声材料结构拓扑优化分析

等几何分析采用样条基函数构造几何模型和实施变量近似,实现了计算机辅助设计和辅助工程的无缝连接,并已广泛应用于弹性力学、电磁场和位势问题等领域.然而直接采用等几何方法难以构造复杂模型,限制了该方法在大规模实际工程问题上的应用.细分曲面法可用于克服这一问题,该方法对传统模型的离散网格进行细分和拟合操作,构造出极限光滑曲面,连续性更高,对复杂结构的适用性更强.该方法主要有以下优点:(1)适用于任意拓扑结构;(2)数值计算稳定;(3)实施简单;(4)局部细化与连续性控制.由于该方法在复杂结构模型构造方面具有较强的灵活性和便利性,已被广泛应用于航空航天、汽车、动画、游戏制作等建模领域.将细分曲面法与边界元法相结合进行结构声学分析,几何场与物理场均采用箱样条基函数进行插值近似.以黏附吸声材料结构的声散射问题为例,建立吸声材料分布拓扑优化数学模型,并采用移动渐进线算法进行设计变量更新,最终获得最优材料分布.      

高效双非线性平面梁单元算法研究

基于随转坐标法和场一致性原则发展了一种用于结构几何与材料双非线性分析的平面梁单元算法,并编制了相应的计算机程序。在随转坐标系下计入材料非线性,采用截面纤维积分法处理任意形状的平面梁单元截面并导出截面切线刚度矩阵,并利用虚功原理得到单元切线刚度矩阵,此过程无需迭代,因而使计算效率得到很大提高;几何非线性效应则通过变量在随转坐标系与结构坐标系之间的转换得以体现。用本文方法对肘式框架的几何非线性进行分析,计算结果与试验结果吻合良好;对简支梁进行分析,在只考虑材料非线性而不考虑几何非线性情况下,本文结果和已有文献结果与解析解的误差分别为1.5%和4.2%;在考虑几何与材料双非线性情况下,本文结果和已有文献结果与ANSYS程序解的误差分别为2.9%和5.9%,与已有文献结果相比,本文所得受力后期的荷载-位移曲线更接近实际情况。     

应用平板壳单元DKQl6分析板壳结构的几何非线性

应用新近开发的四边形十六自由度离Kirchhoff平板壳单元DKQl6，分析了板壳结构的几何非线性问题，采用Total Lagrange格式，在小应交、中等转动的假定下，建立了该单元几何刚度阵和大位移矩阵．非线性方程采用位移引导或弧长引导的牛顿-拉夫森增量迭代法求解．讨论了网格和加载步效对收敛性的影响，通过对典型算例的计算以及与其它单元的比较，说明了DKQl6单元在板壳结构几何非线性分析中也有良好的精度．     

再生核质点法研究进展

概述了无网格再生核质点法的近似方案和本质边界条件的处理;综述了再生核质点法在结构动力学、大变形分析、计算流体力学、断裂及损伤力学、微机电结构分析中的应用;从工程应用和改进再生核质点法的角度提出了未来的若干研究方向.      

Corotational nonlinear analyses of laminated shell structures using a 4-node quadrilateral flat shell element with drilling stiffness

A new 4-node quadrilateral flat shell element is developed for geometrically nonlinear analyses of thin and moderately thick laminated shell structures. The fiat shell element is constructed by combining a quadrilateral area co- ordinate method （QAC） based membrane element AGQ6- II, and a Timoshenko beam function （TBF） method based shear deformable plate bending element ARS-Q12. In order to model folded plates and connect with beam elements, the drilling stiffness is added to the element stiffness matrix based on the mixed variational principle. The transverse shear rigidity matrix, based on the first-order shear deformation theory （FSDT）, for the laminated composite plate is evaluated using the transverse equilibrium conditions, while the shear correction factors are not needed. The conventional TBF methods are also modified to efficiently calculate the element stiffness for laminate. The new shell element is extended to large deflection and post-buckling analyses of isotropic and laminated composite shells based on the element independent corotational formulation. Numerical re- sults show that the present shell element has an excellent numerical performance for the test examples, and is applicable to stiffened plates.     

Nonlinear vibrations of FGM rectangular plates in thermal environments

Geometrically nonlinear vibrations of FGM rectangular plates in thermal environments are investigated via multi-modal energy approach. Both nonlinear first-order shear deformation theory and von Karman theory are used to model simply supported FGM plates with movable edges. Using Lagrange equations of motion, the energy functional is reduced to a system of infinite nonlinear ordinary differential equations with quadratic and cubic nonlinearities. A pseudo-arclength continuation and collocation scheme is used and it is revealed that, in order to obtain the accurate natural frequency in thermal environments, an analysis based on the full nonlinear model is unavoidable since the plate loses its original flat configuration due to thermal loads. The effect of temperature variations as well as volume fraction exponent is discussed and it is illustrated that thermally deformed FGM plates have stronger hardening behaviour; on the other hand, the effect of volume fraction exponent is not significant, but modal interactions may rise in thermally deformed FGM plates that could not be seen in their undeformed isotropic counterparts. Moreover, a bifurcation analysis is carried out using Gear’s backward differentiation formula (BDF); bifurcation diagrams of Poincaré maps and maximum Lyapunov exponents are obtained in order to detect and classify bifurcations and complex nonlinear dynamics.     

NONLINEAR VIBRATION FOR MODERATE THICKNESS RECTANGULAR CRACKED PLATES INCLUDING COUPLED EFFECT OF ELASTIC FOUNDATION

IntroductionThe moderate thickness plates on elastic foundation are a kind of important structure instructural engineering. The mechanic characters of the plates on elastic foundation withdifferent boundary conditions have been received considerable atten…     

Nonlinear stability and dynamics of composite skew plates under nonuniform loadings using differential quadrature method

The buckling, postbuckling and postbuckled vibration behaviour of composite skew plates subjected to nonuniform inplane loadings are presented here. The skew plate is modelled using first order shear deformation theory accounting for von-Kármán geometric nonlinearity and initial geometric imperfections. The different types of nonuniform loads that have been considered in this study are concentrated load, partial load and parabolic load. The explicit analytical expressions for prebuckling stress distributions within composite skew plate subjected to three different types of nonuniform inplane loadings are developed by solving plane elasticity problem using Airy's stress function approach. It is observed that the inplane normal stress distributions within the skew plate due to above nonuniform loadings do not become uniform even at mid-section. The generalized differential quadrature (GDQ) method is used to solve the nonlinear governing partial differential equations. It is observed that the postbuckled load carrying capacity of skew plate under concentrated loading is the lowest compared to other nonuniform and uniform loadings.     

加筋板弹性大挠度的冲击响应分析

用半解析的方法分析了横向冲击载荷下加筋板的非线性瞬态响应。考虑膜力的存在 ,忽略筋截面上的剪切应力 ,引入板的应力函数 ,采用离散加筋板模型 ,运用能量原理建立加筋板的动响应控制方程。假设挠度为双级数形式 ,运用迦辽金法 ,将加筋板的动响应方程转化为一个多自由度的动力系统 ,采用数值方法来求解。最后给出了几个模型的计算结果。     

考虑接触效应的具脱层轴对称层合圆板的非线性动力响应

基于von Karman板理论,利用三分区模型,建立了在面内压力和横向荷载联合作用下具脱层的轴对称正交层合圆板的非线性运动微分方程,其中,考虑了横向剪切效应和脱层接触效应.在此基础上,利用正交配点法进行了求解,并着重讨论了脱层之间的接触效应对结构非线性动力响应的影响.     

受面内冲击载荷下加筋板的非线性动态屈曲

分析了受面内冲击载荷下加筋板的非线性弹性动态屈曲．考虑板与筋的膜力，忽略面内位移，运用Hamilton变分原理，得出非线性控制方程，采用双级数形式的挠度假设，由Galerkin方法得到离散方程组，根据B-R准则，判断加筋板的动态屈曲．     

基于高阶剪切变形理论的四边形求积元板单元及其应用

近年来由各类新型复合材料或功能梯度材料构成的板结构在工程领域得到了广泛应用,其显著特点是材料性能沿板厚变化.为合理考虑横向剪切应变,许多学者基于Reddy高阶剪切变形理论,构建了不同的有限元单元对该类板结构进行分析,但其中满足$C^{1}$连续条件的单元相对较少.本文基于Reddy高阶剪切变形理论,采用求积元方法,建立了$C^{1}$连续的四边形板单元.利用该单元对均质材料、复合材料、功能梯度材料构成的等厚度矩形板、变厚度矩形板及等厚度斜板的线弹性弯曲和自由振动问题进行了计算分析,并与现有文献中的相应计算结果进行了对比.研究表明:基于高阶剪切变形理论的四边形求积元板单元具有较高的计算效率和良好的适应性,文中各类材料构成的等变厚度矩形板及等厚度斜板均只需1个单元即可得到理想的计算结果.对于等/变厚度矩形板,可仅使用9$\times$9个积分点,而对于等厚度斜板,随着斜角的增大,所需积分点的数目逐渐增多至15$\times $15.该四边形求积元板单元可进一步用于新型复合材料板的非线性分析.      

非保守力下温度场中FGM圆板的非线性力学行为

研究了温度场中非保守功能梯度材料(FGM)圆板的非线性力学行为。基于经典板理论,推导了受非保守力作用的FGM圆板在温度场中的控制微分方程。采用打靶法分析了由陶瓷二氧化锆和金属钛合金两相材料组成的非保守FGM圆板在均匀和非均匀升温场中的非线性力学行为。给出了不同均匀升温和非均匀升温场下,FGM圆板在非保守载荷作用下的平衡路径和平衡构形。分析并讨论了均匀和非均匀升温、材料梯度指数对非保守圆板过屈曲和弯曲行为的影响。结果表明:温度场中,非保守FGM圆板发生弯曲而纯陶瓷圆板会发生过屈曲行为;当梯度指数p=2,非保守载荷q=52时,均匀升温场中非保守圆板的变形大于非均匀升温场中非保守圆板的变形。     

Dynamic buckling of stiffened plates under fluid-solid impact load

A simple solution of the dynamic buckling of stiffened plates under fluid-solid impact loading is presented. Based on large deflection theory, a discretely stiffened plate model has been used. The tangential stresses of stiffeners and in-plane displacement are neglected. Applying the Hamilton‘ s principle, the motion equations of stiffened plates are obtained. The deflection of the plate is taken as Fourier series, and using Galerkin method, the discrete equations can be deduced, which can be solved easily by Runge-Kutta method. The dynamic buckling loads of the stiffened plates are obtained from Budiansky-Roth ( B-R ) curves.