复合材料层合板精化高阶理论及其精化三角形板单元

提出一种新的精化高阶理论，该理论满足层间位移、应力连续条件，由此建立了三角形精化板单元。该单元满足单元间Ｃ１类弱连续条件，其收敛性得到保证，且具有简单、高效率的优点。     

基于整体局部1,3位移模式的层合板层间应力研究

为提高层合板层间应力计算的准确性,对Reddy型高阶剪切理论的基本位移模式进行改进,提出整体-局部1,3高阶位移模式．在满足层间位移连续,层间剪切应力连续,以及上下表面自由的条件下,与前人提出的整体-局部1,2-3位移模式相比,层合板板结构每个节点的独立变量由13缩减到11,并且不随层数的增加而变化．将整体-局部1,3高阶位移模式位移和应力的数值解与解析解进行对比,验证了整体-局部1,3位移模式的准确性,可应用于复合材料层合板的位移和应力分析．     

考虑横法向热应变的C~0型整体-局部高阶层合梁理论

通过考虑横法向热变形,本文建立了预先满足层间应力连续的C0型整体-局部高阶层合梁理论,并用于分析复合材料层合梁热膨胀和热弯曲问题。虽然考虑了横法向应变,不增加额外的位移变量。此理论位移场不含有横向位移一阶导数,便于构造多节点高阶单元。基于虚功原理推导了复合材料层合梁平衡方程,并分析了简支多层复合材料梁热膨胀和热弯曲问题。数值结果表明,建立的模型能准确分析复合材料层合梁热膨胀和热弯曲问题,忽略横法向应变的理论分析热膨胀问题误差较大。     

扩展的Hellinger-Reissner原理及特殊层合杂交应力元

建立了一种非匀质材料新的、扩展的Hellinger-Reissner原理,发展了当一个单元域划分为不同材料特性子域、其元内应力场沿子域表面不连续、且位移场在子域表面也急剧变化时,一个非匀质有限元刚度列式便利方法。这种列式亦可用于对每层横向剪应变均独立处置的厚层板。基于此变分原理建立了新的具有一个无外力圆柱表面的层合杂交应力元,单元各层独立假定的应力场通过以自然坐标表示的非协调位移为权函数使齐次平衡方程变分满足的理性方法及严格满足给定圆柱面上无外力条件得到,位移场在元间及层间连续条件则分别通过Lagrange乘子进行了松弛。数值算例表明：这类新型元可有效地分析具有多类圆柱形槽孔的厚、中厚及薄层板自由孔边应力分布。     

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.     

基于精化高阶理论的层合板热-力问题有限元分析

基于精化高阶理论,建立了层合板有限元模型,编制了相应的MATLAB 程序．分析了三层四边简支层合板在力荷载作用下的响应,与解析解吻合良好．分析了热-力共同作用下层合板的响应,与基于ABAQUS 软件建立的精细有限元模型计算结果相对比,验证了模型的高效性．研究了跨厚比和铺设方式对层合板层间应力的影响,结果表明：跨厚比对层间应力影响显著,两者之间大致呈反比例函数关系;对称铺设方式可以有效降低层合板中的层间应力．     

均匀热荷载作用下层合简支梁的弹性力学解

基于二维热弹性力学理论,研究均匀热荷载作用下层合简支梁的弹性力学解.首先导出均匀温度场中满足控制微分方程和两端简支边界条件的单层梁的弹性力学解,然后利用层间界面位移和应力必须连续的条件,递推得到底层梁与顶层梁间的位移和应力关系.最后根据层合梁上下表面的边界条件确定待定系数,带回递推公式得到整个层合梁的应力和位移分布.本文方法的计算结果有很好的收敛性.与有限元软件的结果对照说明了本文方法的精确性.最后,研究了不同的变温对层合简支梁的位移和应力的影响,结果显示每个层间界面在x方向的应力是不连续.随着温度的升高,梁的最大位移相应地增大.温度越高,位移沿厚度变化的速率越大.     

一种预测层合板层间剪应力的新后处理方法

层合板是航空航天领域典型的承力构件,过大的层间应力是导致其分层失效的主要原因.准确的层间应力预测往往依赖于三维平衡方程后处理方法(TPM).然而,该方法需要计算面内应力的一阶导,使得基于C0型板理论构造的线性单元无法使用TPM计算横向剪应力.本文在三维平衡方程后处理方法的基础上,提出了一种新后处理方法(NPM).新后处理方法通过虚功等效法消除了三维平衡方程后处理方法中产生的位移参数的高阶导.基于提出的新后处理方法和C0型板理论,仅需使用线性单元就可以预测层合板的横向剪应力.为了验证所提方法的有效性,本文基于修正锯齿理论(RZT)和所提方法构造了一种C0连续的三节点三角形线性板单元.数值算例表明,所提方法和三维平衡方程后处理方法具有相同的计算精度,提出的板单元能够准确高效地预测层合板的横向剪应力.此外,所提方法便于结合现有的有限元商用软件使用,基于商用软件中板壳单元获得的节点位移,使用新后处理方法极易获得准确的层间剪应力.     

含层间短裂纹层合板的解析－分区变分解法

将层板横截面分为含裂纹区与不含裂纹区，在每一区内，根据夏变函数理论与特征函数展开法，得到了各自区内满足所有支配方程、裂纹表面边界条件与层间连续条件的位移与应力的特征展开式，然后利用分区广义变分原理满足裂纹表面边界以外的边界条件以及两区之间的交界条件，并由此求得奇异场控制量（广义应力强度因子）。     

含层间短裂纹层合板的解析－分区变分解法

将层板横截面分为含裂纹区与不含裂纹区，在每一区内，根据夏变函数理论与特征函数展开法，得到了各自区内满足所有支配方程、裂纹表面边界条件与层间连续条件的位移与应力的特征展开式，然后利用分区广义变分原理满足裂纹表面边界以外的边界条件以及两区之间的交界条件，并由此求得奇异场控制量（广义应力强度因子）。     

A new higher-order shear deformation theory and refined beam element of composite laminates

A new higher-order shear deformation theory based on global-local superposition technique is developed. The theory satisfies the free surface conditions and the geometric and stress continuity conditions at interfaces. The global displacement components are of the Reddy theory and local components are of the internal first to third-order terms in each layer. A two-node beam element based on this theory is proposed. The solutions are compared with 3D-elasticity solutions. Numerical results show that present beam element has higher computational efficiency and higher accuracy.The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10172023)     

A quadrilateral element based on refined global-local higher-order theory for coupling bending and extension thermo-elastic multilayered plates

In this paper a refined higher-order global-local theory is presented to analyze the laminated plates coupled bending and extension under thermo-mechanical loading. The in-plane displacement fields are composed of a third-order polynomial of global coordinate z in the thickness direction and 1,2–3 order power series of local coordinate ζ_k in the thickness direction of each layer, which is identical to the 1,2–3 global-local higher-order theory by Li and Liu [Li, X.Y., Liu, D., 1997. Generalized laminate theories based on double superposition hypothesis. Int. J. Numer. Methods Eng. 40, 1197–1212] Moreover, a second-order polynomial of global coordinate z in the thickness direction is chosen as transverse displacement field. The transverse shear stresses can satisfy continuity at interfaces, and the number of unknowns does not depend on the layer numbers of the laminate.Based on this theory, a quadrilateral laminated plate element satisfying the requirement of C¹ continuity is presented. By solving both bending and thermal expansion problems of laminates, it can be found that the present refined theory is very accurate and obviously superior to the existing 1,2–3 global-local higher-order theory. The most attractive feature of this theory is that the transverse shear stresses can be accurately predicted from direct use of constitutive equations without any post-processing method. It is also shown that the present quadrilateral element possesses higher accuracy.     

Higher-order shear deformable theories for flexure of sandwich plates—Finite element evaluations

A simple isoparametric finite element formulation based on a higher-order displacement model for flexure analysis of multilayer symmetric sandwich plates is presented. The assumed displacement model accounts for non-linear variation of inplane displacements and constant variation of transverse displacement through the plate thickness. Further, the present formulation does not require the fictitious shear correction coefficient(s) generally associated with the first-order shear deformable theories. Two sandwich plate theories are developed: one in which the free shear stress conditions on the top and bottom bounding planes are imposed and another, in which such conditions are not imposed. The validity of the present development(s) is established through, numerical evaluations for deflections/stresses/stress-resultants and their comparisons with the available three-dimensional analyses/closed-form/other finite element solutions. Comparison of results from thin plate. Mindlin and present analyses with the exact three-dimensional analyses yields some important conclusions regarding the effects of the assumptions made in the CPT and Mindlin type theories. The comparative study further establishes the necessity of a higher-order shear deformable theory incorporating warping of the cross-section particularly for sandwich plates.     

薄板小波有限元理论及其应用

利用样条小波尺度函数构造了常用的三角形和矩形薄板单元的位移函数,得到了利用小波函数表示的形函数。采用合理的局部坐标,对单元进行压缩,使单元在局部坐标区间上有其值,成功地推导出了分域的三角形和矩形薄板小波有限元列式。在此基础上,提出了弹性地基薄板的小波有限元求解方法。通过两个算例对薄板的挠度和弯矩进行了计算,数值结果表明,求解结果具有收敛快、精度高的特点。     

带旋转自由度C^0类任意四边形板（壳）单元

基于Ｒｅｉｓｓｎｅｒ－Ｍｉｎｄｉｌｉｎ板弯曲理论和Ｖｏｎ－Ｋａｒｍａｎ大挠度理论,采用单元域内和边界位移插值一致性的概念,将四节点等参弯曲单元与Ａｌｌｍａｎ膜变形二次插值模式相结合,对层合板壳的大挠度分析提供了一种实用的带旋转自由度的四节点Ｃ＾０类板单元。大量算例表明：该单元对板壳结构的线性强度、稳定性和后屈曲分析都表现出良好的收敛性和足够的工程精度。     

Winkler弹性地基上梁的精化理论

将Cheng精化理论推广到winkler弹性地基上梁的研究当中,对winkler弹性地基上的梁进行了精确的分析,给出其精化理论。首先将板内的位移利用中面上位移及其沿梁厚方向的梯度表示出来,并获得梁内应力张量。再利用winkler弹性地基条件和Lur'e算子方法,获得弹性地基上梁的控制方程。若略去控制方程中的高阶项,与弹性地基上欧拉-伯努利梁的挠度控制方程一致。