基于面积坐标与B网方法的四边形样条单元

传统等参元方法中, S型等参元完备阶较低,对网格畸变敏感, L型等参元具有高阶完备性但需要使用内部节点. 另外,由于引入等参变换, 采用数值积分可能导致总刚度矩阵出现奇异性.利用三角形面积坐标与B网方法建立了一类平面四边形的样条单元函数,它们的特点是满足协调条件, 克服网格畸变敏感性.其中8节点和12节点单元分别为2次和3次样条函数,对直角坐标分别具有二阶和三阶完备性, 高于相同节点的S型等参元.通过算例测试了这些样条单元, 并与等参元和其它四边形单元比较,数值结果显示了它们的高精度和有效性.      

钢管混凝土拱稳定分析的有限元法

在 2 0结点三维块体等参元及 1 6结点相对位移板壳元 [1 ] 的基础上、引入梁的基本假定 ,采用等效数值积分法 ,构造出 1 2 - 2 0结点三维退化平面和柱面层合曲梁单元 ,同时给出用于梁或拱线弹性稳定性分析的有限元列式 ,最后 ,以绍兴轻纺大桥为工程背景 ,计算出轻纺大桥钢管混凝土拱面内屈曲及面外侧倾屈曲的临界荷载。     

完备化ANCF薄板单元及在钢板弹簧动力学建模中的应用

绝对节点坐标方法已在多体系统动力学研究中广泛应用, 但常用来描述板壳类结构的薄板单元, 由于梯度不完备而无法直接用于带有初始弯曲参考构型的柔性体变形描述. 为避免全参数板单元建立车辆钢板弹簧模型时存在的严重截面闭锁问题, 拟采用薄板单元用于板簧建模. 为此, 探索了将现有绝对节点坐标薄板单元纳入一般连续介质力学弹性力表达的方法, 采用中面上单位法向量作为单元厚度方向的梯度向量, 从而得到了完备化的薄板单元及其描述初始弯曲构型时消除初应变的方法. 在此基础上通过定义簧片的未变形构型, 在钢板弹簧中引入可控的预应力, 实现对钢板弹簧装配过程的准确模拟. 通过数值算例验证了本方法的正确性. 建立了车辆钢板弹簧模型, 通过建立在簧片上的局部坐标系实现接触点的跨单元搜索, 并采用惩罚函数法和平滑化的库伦摩擦模型施加簧片间的接触力. 引入参考节点的概念建立了整合车身与吊耳及其机构运动关系的刚柔耦合模型.}}      

焊接管结构的非线性推覆简化模型

有限元分析方法中,采用三维实体单元对焊接管结构进行离散是最为精确的建模方法,但对三维实体模型分析时会划分大量单元,导致计算时间冗长。工程中常把焊接管结构简化为刚架模型,即刚性连接的杆系系统。这种建模方式忽略了节点的局部柔度,过高地估计了整体结构的刚度,使计算结果偏于危险。为解决上述问题,在节点处引入虚拟梁单元,使其等效模拟节点的局部变形,还原支管真实长度。为了验证节点柔度对焊接管结构的影响,对典型的焊接管结构缩尺,进行了推覆试验。分别采用壳单元模型、刚架模型及引入虚拟梁单元的简化模型进行有限元模拟,并与试验结果对比分析。结果表明,刚架模型会过高的估计焊接管结构的刚度,而简化模型计算结果与壳模型、试验结果较为吻合。     

拱屈曲荷载分析的三维退化曲梁单元有限元法

在三维块体等参元及１６结点相对位移板壳元的基础上,引入梁的基本假定,考虑几何非线性,构造出三维退化曲梁单元,计算了梁、拱线弹性屈曲临界荷载。     

具有半刚性节点性质的平面刚架弹簧单元的研究

联合应用力法与逐段刚化法推导出具有半刚性节点性质的弹簧节点梁单元和平面刚架弹簧单元的单元刚度方程. 该方法具有物理概念清楚,推导过程简便、巧妙的特点. 本文所建立的弹簧节点梁单元和平面刚架弹簧单元可以应用在具有半刚性节点性质的工程结构的承载力分析与计算中.     

基于绝对节点坐标法的平面梁有限变形下变形重构

现有的对有限变形条件下柔性结构变形重构的研究往往单纯基于曲率与应变间的几何关系, 同时忽略了被测体的纵向变形及其与弯曲变形的耦合效应. 为得到一种更加精确且能借助现有的力学工具进行应用方向扩展的变形重构方法, 以平面梁为对象, 借鉴变形重构逆有限元法的思想, 将平面梁的变形重构问题视作一类最优化问题. 首先, 通过引入绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)对柔性结构大变形下非线性的平面梁应变?位移关系进行精确描述, 构造了一种逆梯度缩减ANCF平面索梁单元. 然后, 对此逆ANCF单元进行改进, 在简化节点自由度的同时通过引入罚函数确保单元节点处的曲率连续性, 既保证了本问题的适定性, 也提升了最终解的精确性. 最后, 基于该单元利用Newton法构造了平面梁有限变形下变形重构问题的两种求解算法, 即逐单元算法和多单元整体算法, 以实现不同需求下的稳定求解. 数值仿真结果表明, 本方法在大变形条件下的变形重构误差小于1%, 而且在测点较少的情况下依然保持较高的精度, 同时验证了本方法的收敛性与计算效率.      

薄壁结构的平面纯剪单元

本文提出一种平面纯剪单元,它是由可变节点三角形与四边形平面应力等参元退化而成.它与三节点等参轴力杆单元组合时可以精确地模拟薄壁结构中杆与蒙皮之间的剪流作用.     

完备化ANCF薄板单元及在钢板弹簧动力学建模中的应用

绝对节点坐标方法已在多体系统动力学研究中广泛应用,但常用来描述板壳类结构的薄板单元,由于梯度不完备而无法直接用于带有初始弯曲参考构型的柔性体变形描述.为避免全参数板单元建立车辆钢板弹簧模型时存在的严重截面闭锁问题,拟采用薄板单元用于板簧建模.为此,探索了将现有绝对节点坐标薄板单元纳入一般连续介质力学弹性力表达的方法,采用中面上单位法向量作为单元厚度方向的梯度向量,从而得到了完备化的薄板单元及其描述初始弯曲构型时消除初应变的方法.在此基础上通过定义簧片的未变形构型,在钢板弹簧中引入可控的预应力,实现对钢板弹簧装配过程的准确模拟.通过数值算例验证了本方法的正确性.建立了车辆钢板弹簧模型,通过建立在簧片上的局部坐标系实现接触点的跨单元搜索,并采用惩罚函数法和平滑化的库伦摩擦模型施加簧片间的接触力.引入参考节点的概念建立了整合车身与吊耳及其机构运动关系的刚柔耦合模型.     

阻尼夹层筋板结构有限元动力分析

在小变形线弹性理论基础上，导出了粘弹性阻尼夹层筋板壳结构的有限元动力方程，构造了壳单元、阻尼夹层壳单元和开口薄壁梁单元。采用这些单元可以很好地模拟具有不连续阻尼夹层处理的筋板壳结构。数值分析采用［３］中提出的两次渐近法。通过一块阻尼加筋板的特征分析和振动测量，证实了所建立的有限元两次渐近法的良好精度和广泛的工程适用性。     

非线性自由振动的迭代响应法

构造了一个考虑横向振动和板面内运动的三节点几何非线性等参环形板单元,采用迭代求响应的方法,研究了中心附有刚性质量块的非线性轴对称自由振动的频率,与已有的结果比较表明,本文的方法得到更为精确的数值结果。     

CONSOLIDATION THEORY OF UNSATURATED SOIL BASED ON THE THEORY OF MIXTURE(Ⅱ)

The present paper uses the mathematics model for consolidation of unsaturatedsoil developed in ref.[1]to solve boundary value problems.The analytical solutionsfor one-dimensional consolidation problem are gained by making use of Laplacetransform and finite Fourier transform.The displacement and the pore water pressureas well as the pore gas pressure are found from governing equations simultaneously.The theoretical formulae of coefficient and degree of consolidation are also given inthe paper.With the help of the method of Galerkin Weighted Residuals,the finiteelement equations for two-dimensional consolidation problem are derived.A FORTRANprogram named CSU8 using8-node isoparameter element is designed.A plane strainconsolidation problem is solved using the program,and some distinguishing features onconsolidation of unsaturated soil and certain peculiarities on numerical analysis arerevealed.These achievements make it convenient to apply the theory proposed by theauthor in engineering practice.     

The effect of transverse normal strain in contact of an orthotropic beam pressed against a circular surface

The contact problem of a straight orthotropic beam pressed onto a rigid circular surface is considered using beam theories that account for transverse shear and transverse normal deformations. The circular nature of the rigid surface emphasizes the difference between Euler Bernoulli theory behavior, where point loads develop at the edge of contact, and the higher order theories that predict non-singular pressure distributions. While Timoshenko beam theory is the simplest theory that addresses this behavior, the prediction of a maximum value of pressure at the edge of contact contradicts the elasticity theory result that contact pressure must drop to zero. Transverse normal strain is therefore introduced, both to study this fundamental discrepancy and to include an important effect in many contact problems. To investigate this effect, higher order beam theories that account for both constant and linear transverse normal strain through the beam thickness are derived using the principle of virtual work. The resulting orthotropic beam theories depend on the bending stiffness (EI), shear stiffness (GA), axial stiffness (EA₁) and transverse normal stiffness (EA₂), which are independent stiffness parameters that can differ by orders of magnitude. The above mentioned contact problem is then solved analytically for these theories, along with the Timoshenko beam model which assumes zero transverse normal strain. The results for different orthotropic materials show that inclusion of transverse normal deformation has a significant effect on the contact pressure solution. Furthermore, the solution using higher order beam theories encompasses the two extremes of a Hertz-like contact pressure when the half contact length is smaller than the thickness of the beam, and the Timoshenko beam theory case when the half contact length is much larger than the thickness. Concerning the behavior of the pressure at the edge of contact, adherence to the boundary conditions required by the principle of virtual work, shows that while the pressure does tend to zero, it does not become zero unless artificially enforced. In this regard the solution for the case of linear strain is better than that for constant strain. All beam solutions are validated with plane elasticity solutions obtained using the commercial finite element software ABAQUS.     

多分辨率Timoshenko梁单元

基于Timoshenko梁的假定,通过基本节点形函数的扩展,并在梁区域上进行伸缩和平移,本文构建了基函数系,由此生成相互嵌套、逐级包含的位移空间序列,最后,采用最小势能原理,得到梁的平衡方程,从而构造了多分辨率Timoshenko梁单元。该单元具有如下特性：1．可通过自由调节单元分辨率的大小来增减单元的网格节点数量,从而调整单元的计算精度,其精度与相同网格划分条件下任意多个传统梁单元计算的相一致;2．经重新划分网格后的单元整体刚度、质量矩阵及等效节点荷载向量可直接获得,不像传统梁单元那样需要重新生成;3．与传统梁单元一样可以很方便地处理各种边界条件。本文首次将多分辨率概念引入到传统的Timoshenko梁单元中,并构建了梁结构网格划分的数学依据—位移空间序列,同时,揭示了共同节点可以采用人工叠加方法形成整体刚阵的缘由—连续的节点扩展形函数。     

基于平面偶应力-Reissner/Mindlin板比拟的偶应力有限元

偶应力理论的有限元列式面临本质性的C1连续性困难. 平面偶应力理论和Reissner/Mindlin板弯曲理论之间的比拟关系表明这两个理论系统的有 限元的同一性，而R/M板有限元并不存在C1连续性困难. 因此，研究将R/M板单元转化为具有一般位移自由度的平面偶应力单元的一般方法. 根据这一方法，将典型的8节点Serendipity型R/M板单元Q8S转化为一个4节点12 自由度的四边形平面偶应力单元，数值结果表明该单元具有良好的精度和收敛性     

CRACK FACE CONTACT PROBLEM ANALYSIS USING THE SCALED BOUNDARY FINITE ELEMENT METHOD

比例边界有限元侧面上有任意荷载时,将侧面载荷分解成关于径向方向局部坐标的多项式函数的和,推导给出了考虑侧面载荷存在的新型形函数,并基于该形函数推导了刚度矩阵和等效节点载荷列阵.首次对比例边界有限元法求解裂纹面接触问题进行了研究,运用Lagrange乘子引入接触界面约束条件,推导给出了比例边界有限元求解裂纹面接触问题的控制方程.将裂纹面单元分为非裂尖单元和含有侧面的裂尖单元.在非裂尖单元中的裂纹面,裂纹面作为多边形单元的边界,边界上的接触力可等效到节点上,通过在节点上构造Lagrange乘子,采用点对点接触约束进行处理.对于含有侧面的裂尖单元,在整个侧面上构造Lagrange乘子的插值场,采用边对边接触约束进行处理.对三个不同的接触约束状态下的算例进行了数值计算,通过与解析解及有限元软件ABAQUS计算结果的对比,验证了本文提出的比例边界有限元点对点和边对边接触求解裂纹面接触问题的精确性与有效性.     

平面梁单元的单元复合技术及应用

深入分析了平面梁单元内任一点的位移,根据位移协调条件,利用虚功原理建立了在母梁单元上增加并复合子梁单元的方法,能够比较方便、准确地模拟工程结构中构件含加劲材料、构件截面在不同阶段变化等问题。算例验证了该方法的可行性,演示了在使用上的便利。     

一种新的墙单元

本文提出了一种新的空间墙单元模型，这种墙单元把土建中常用的剪力墙作为它的一种特殊情形．本文基于四边形单元所提出的墙单元在平面内是一块膜，它除面内的两个平动自由度外还具有绕平面转动的自由度；平面外是一块弯曲板．因而它是膜和板的一个组合，它的每个节点具有空间的全部六个自由度．由于考虑了空间墙平面内和平面外的刚度，因此这种新的墙单元能够直接与三维框架的梁、柱单元连接．它也能很容易地处理墙的空间变形。     

基于8节点平面单元的RC梁柱节点单元

为了分析RC框架结构的非线性滞回性能,基于平面8节点单元,本文提出了一个新的针对受循环荷载作用钢筋混凝土的梁柱节点单元．单元中梁与节点交界面和柱与节点交界面被划分成“节点截面”和“梁柱截面”,节点核心区的力学性能由8节点单元描述,而梁柱受力钢筋与节点核心区的粘结滑移由存在于“节点截面”和“梁柱截面”之间的8根弹簧控制,梁柱与节点之间的剪切由4根剪切弹簧表示．单元具有4个外节点和8个内节点,每个内节点具有2个自由度,每个外节点具有3个自由度,该3个自由度与普通梁单元一致,从而确保本单元能够同普通一维梁柱单元一起进行钢筋混凝土结构平面非线性分析．通过将内节点上的自由度依附到外节点上,单元在数值表现上具有4个节点和28个自由度．通过对比试验和模拟分析结果,验证了本模型适合于循环荷载作用下平面框架结构的非线性响应分析．     

焊接结构应力场计算中的一类五面体可变节点等参单元

本文应用三维有限元理论，构造了一类五面体６～１５节点等参单元的形函数，提出了在五面体单元内的Ｇａｕｓｓ积分处理方法，建立了相应的单元刚度矩阵。这类单元的节点可以在６～１５之间任意选择。将其与ＳＡＰ５中的六面体８～２１节点等参单元匹配，计算了对接板接头的理论应力集中系数。经与有关文献结果比较表明：这类单元适合于计算焊接结构的应力场，并且具有良好的精度。