结点应力修正计算中边值问题的简便处理

在有限元分析中,对于利用数值积分的曲面(线)单元,我们发现在积分点上的应力精度远高于单元边界结点上的应力精度。本文以积分点的应力计算为基础,用带线性的约束的最小二乘法,简便地处理了曲面(线)单元结点应力修正计算中的边值问题。     

含一个无外力圆柱面带转动的三维杂交应力元

根据一种修正的余能原理,建立了一类具有一个无外力圆柱表面及结点含转动自由度的8 结点新型三维杂交应力元. 单元边界位移场选择二次位移插值函数,且与相邻元协调;单元内假定应力场满足以柱坐标表示的平衡方程及圆柱面上无外力边界条件. 数值算例表明,这种特殊杂交应力元在相当粗的网格下即能十分准确地分析圆弧形槽口附近及曲梁的三维（及二维）的孔边应力分布.      

基于区间参数摄动法的三维弹塑性区间有限元探讨

首次探讨了弹塑性问题的区间分析,推导了三维弹塑性问题的区间参数摄动法有限元计算公式,研制了相应的弹塑性区间有限元程序,通过算例分析得到结论:(1)采用增量法对弹塑性问题进行区间分析时,增量位移离差随着增量位移均值的增大而增大.(2)单元高斯点应力没有达到屈服极限之前,高斯点的应力离差很小;当单元高斯点应力达到屈服极限之后,高斯点应力离差逐渐增大.(3)是否考虑塑性矩阵的应力分量为弹塑性参数的隐函数,对应力高差计算的影响较小.     

尖锐夹杂角端部局部应力场杂交有限元分析

本文首先利用作者曾提出的一维有限元特征分析方法计算所得到的尖锐夹杂角端部应力奇异指数和奇异应力场、位移场角分布函数,并依据Hellinger-Reissner原理,开发出了一个特殊的、能够反映夹杂角端部局部弹性现象的n结点多边形超级角端部单元,然后将该超级单元与标准的4结点杂交应力单元耦合在一起构建了一种分析异形夹杂角端部奇异弹性场的新型特殊杂交应力有限元方法.文中给出了两个应用算例,算例结果表明:本文方法不仅使用单元少、计算结果精度高,而且适用范围广,可拓展应用于分析复合材料微结构组织与力学行为关系.     

基于结点应力误差估计的自适应网格划分

提出了基于结点应力误差估计对围绕该结点单元进行自适应网格划分的新方法。首先建立了基于2-范数的结点应力误差估计方法,然后在引入误差在各结点内等分布假定的基础上,给出了基于结点应力误差估计的自适应网格划分策略。最后结合工程实际中对高应力区结点应力的精度需要,给出了考虑结点应力大小的误差分配方案和相应的自适应网格划分方法,从而既对高应力区进行了网格优化,又兼顾了数学意义上误差较大的区域,更符合工程实际要求。算例计算结果表明,本文的方法是可行、有效的。     

平面4结点等参元高斯点应力的适用性

平面４结点等参元高斯点应力的适用性黄文彬李明瑞（北京农业工程大学，北京１０００８３）在平面弹性和弹塑性有限元分析中，广泛使用３～９结点等参单元，在使用４结点等参单元时，通常用２×２高斯点积分，在应力输出时，也常输出高斯点处应力，特别在弹塑性分析中，常...     

近场波动模拟的一种应力人工边界

采用平面波和远场散射波混合透射，引入无限介质线弹性本构关系建立了一种应力人工 边界条件. 其优点在于边界结点反应与内部有限元结点反应采用相同的积分格式计算，有限 元积分方法稳定时不存在人工边界失稳问题. 数值算例表明：边界精度高于现有黏性边 界、黏弹性人工边界，以及一、二阶透射人工边界.     

平面4结点等参元高斯点应力的适用性

平面４结点等参元高斯点应力的适用性黄文彬李明瑞（北京农业工程大学，北京１０００８３）在平面弹性和弹塑性有限元分析中，广泛使用３～９结点等参单元，在使用４结点等参单元时，通常用２×２高斯点积分，在应力输出时，也常输出高斯点处应力，特别在弹塑性分析中，常...     

Z-pin复合材料细观模型固化残余应力研究

针对植入Z-pin后碳纤维增强复合材料的微观结构，通过施加Z-pin周期性边界约束条件，建立了Z-pin复合材料单层板单胞细观模型．考虑固化过程中树脂体积收缩、弹性模量随固化度变化和纤维因Z-pin进入偏转因素，运用有限单元法计算了单胞结构在固化成型工艺过程中树脂和纤维应力发展和分布，并研究了Z-pin直径和分布密度对单层板面内残余应力的影响．结果表明：凝胶点之前，树脂模量和残余应力很小，凝胶点之后，树脂模量和残余应力增加较快；残余应力分布与纤维偏转有关；Z-pin直径和分布密度增加会使固化残余应力增大．     

基于解析试函数三角形带旋转自由度膜元的显式格式研究

三角形单元是有限元分析中常用的单元.在平面单元内引入结点转动自由度,可以提高单元位移场的阶次,在不增加单元结点的前提下提高单元性能.论文利用问题基本解析解作为试函数来构造带旋转自由度的三角形单元ATF-R3H,采用了杂交应力函数单元模式,确保了单元优良的抗畸变性能和较高应力计算精度.论文利用直角坐标与三角形面积坐标的线性关系,以及面积坐标幂函数在三角形域内和边界上的积分公式,直接给出单元刚度矩阵的显式表达式,从而避免了大量数值积分,提高了计算效率.数值算例表明,显式格式的ATF-R3H单元具有良好的性能.     

黏弹性人工边界等效荷载计算的改进方法

黏弹性人工边界在场地地震反应和结构-地基动力相互作用等问题的计算中已得到了广泛的应用.地震波在黏弹性人工边界中的输入是通过将地震波转化为作用于人工边界处的等效载荷来实现的.计算等效节点载荷的常规方法默认边界节点对应区域内的应力为均布力,但实际上该节点对应区域内的应力分布通常是不均匀的.本文在有限元方法结合黏弹性局部人工边界的显式时域波动方法的基础上,建立了无限域散射问题地震波等效载荷计算的一种改进方法.该方法采用细化网格与应力积分相结合的方法计算人工边界等效节点力,有效地降低了人工边界上等效节点力的计算误差.以不同角度入射地震波的二维算例为例,算例给出的波场位移云图和节点位移时程曲线验证了本文方法的有效性,其计算精度与网格尺寸和地震波入射角度密切相关,且网格越小、入射角度越小,计算精度越高.对于相同的网格尺寸,本文采用方法的计算精度明显高于常规方法,尤其是对于斜入射问题优势更为明显.     

基于应变梯度有限元的单层石墨烯振动研究

建立了单层石墨烯等效非局部薄板的一种新的有限元模型,并运用有限元法分析不同边界条件下单层石墨烯振动的小尺度效应。给出了基于弹性应变梯度理论下Kirchhoff板的振动方程。发展了一种4节点24自由度的板单元,用于离散化求解考虑微纳结构尺度效应的高阶微分方程。在研究四边简支板振动时,考虑应变梯度的非局部弹性有限元数值计算结果与理论分析结果相一致。用有限元方法研究了不同尺寸、振动波长、振动模态阶数、边界条件类型以及非局部参数的单层石墨烯振动。     

变宽度板在拉伸和弯曲作用下的三维应力集中

根据一种修正的余能原理，建立了具有一个无外力圆柱面的三维杂交应力元，元内假定应力场满足三维柱坐标表示的平衡方程及无外力圆柱面上的外力边界条件；当元退化为二维时，也满足协调条件。单元位移场选择与相邻单元协调。数值算例表明这种特殊杂交应力元在相当粗的网格下，能十分有效地分析变宽度薄／厚板在拉伸与弯曲作用下的三维(及二维)应力集中。     

A RECTANGULAR SHELL ELEMENT FORMULATION WITH A NEW MULTI-RESOLUTION ANALYSIS

A multi-resolution rectangular shell element with membrane-bending based on the Kirchhoff-Love theory is proposed. The multi-resolution analysis （MRA） framework is formulated out of a mutually nesting displacement subspace sequence, whose basis functions are constructed of scaling and shifting on the element domain of basic node shape functions. The basic node shape functions are constructed from shifting to other three quadrants around a specific node of a basic element in one quadrant and joining the corresponding node shape functions of four elements at the specific node. The MRA endows the proposed element with the resolution level （RL） to adjust the element node number, thus modulating structural analysis accuracy accordingly. The node shape functions of Kronecker delta property make the treatment of element boundary condition quite convenient and enable the stiffness matrix and the loading column vectors of the proposed element to be automatically acquired through quadraturing around nodes in RL adjusting. As a result, the traditional 4-node rectangular shell element is a mono-resolution one and also a special case of the proposed element. The accuracy of a structural analysis is actually determined by the RL, not by the mesh. The simplicity and clarity of node shape function formulation with the Kronecker delta property, and the rational MRA enable the proposed element method to be implemented more rationally, easily and efficiently than the conventional mono-resolution rectangular shell element method or other corresponding MRA methods.     

滑轮绳索系统中动态节点绳索单元

解除了传统有限元方法中单元节点与物质点固结的假设, 建立了空间点的速度和加速度与相应物质点的速度和加速度之间的数学关系, 强调了虚功率原理中出现的速度和加速度皆为物质速度和物质加速度. 在此基础上构造了单元节点既不与空间坐标固定也不与物质坐标固定的动态节点绳索单元. 根据滑轮绳索系统的特点, 选取绳索出入绳点的弧长坐标、出入绳角、面外摆角以及拉伸应变等空间参数描述了滑轮绳索系统的运动. 将绳索与滑轮以及绳索与卷筒之间的相互作用合理简化为物质速度间的约束条件, 避免了传统方法中接触力计算不收敛、效率低等缺点. 所提方法可精细求解绳索与滑轮间接触边界点位置和卷筒入绳点在卷筒上的运动、滑轮的中心和其连体基的运动、绳索出入滑轮和卷筒时空间方位的变化以及绳索上任意点的拉力变化等细节. 可为含绳索机械系统的力学分析提供新的理论基础. 所用的解除单元节点与物质点绑定的理论具有一定的普适性, 可为有限元方法的理论和应用提供参考.      

近场动力学最小二乘和有限元耦合方法研究

准确高效地对损伤和断裂问题进行建模是计算力学中的关键研究课题之一。将近场动力学最小二乘在处理含裂纹等非连续问题上的优势和有限元计算效率高及便于施加边界条件的优势结合，提出了近场动力学最小二乘和有限元耦合方法。将裂纹及其可能扩展区域划分为近场动力学区域，边界及其他区域划分为有限元区域，并将其中的结点类型分为近场动力学结点和有限元结点。有限元结点仅与同单元中的其他结点产生作用，近场动力学结点则与其族内的所有结点产生作用。将以上的单元刚度矩阵和质量矩阵进行组装得到整体刚度矩阵和整体质量矩阵。本文的耦合方法数值实现简单有效，相对于键基和常规态基近场动力学，该耦合方法包含了应力和应变的概念，同时不受零能模式的影响。一维和二维静态和动态问题的研究，验证了本文的耦合方法的有效性和准确性。     

平面广义四节点等参元GQ4及其性能探讨

广义节点有限元是将传统有限元方法中的节点广义化,在不增加节点个数的前提下,仅通过提高广义节点的插值函数的阶次,从而达到提高有限元解精度的目的.与现有的p型和hp型有限元不同,在这种新的有限元中,节点自由度全部定义在节点处,在理论与程序实现上与传统有限元方法具有很好的相容性,传统有限元方法是这种新方法的广义节点退化为0阶时的特殊情形.文中主要讨论了这一新方法的四节点等参元（记为GQ4）的形式.对GQ4进行的各种数值试验表明,所发展的广义四节点等参单元具有精度高且无剪切自锁与体积自锁等的特点.     

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。     

平面Cosserat模型有限元分析的4和8节点单元与分片试验研究

经典连续体理论不包括物质内部尺度,当考虑应变软化问题时,有限元结果对网格具有很强的依赖性。与经典连续介质力学理论不同,Cosserat连续体模型在传统平动自由度的基础上添加了一独立的旋转自由度,在本构模型中引入了内尺度参数。本文研究了基于Cosserat理论的平面4和8节点等参元以及8（4）节点线、角位移混合插值等参单元,给出Cosserat单元分片试验的实施过程。最后将单元运用到小孔应力集中问题的分析当中,通过计算结果与理论解的比较,表明了4和8节点以及8（4）节点等参元的适用性,为问题的非线性分析打下基础。     

弹性力学的杂交自然单元法

为了解决自然单元法无法直接求解节点应力以及应力解精度不高的问题, 将应力杂交的思想引入自然单元法中, 与弹性问题的Hellinger-Reissner变分原理结合, 提出了弹性问题的杂交自然单元法. 算例表明: 杂交自然单元法的计算结果与解析解吻合, 证明该方法是可行的; 在求解应力方面, 杂交自然单元法比自然单元法有着更高的计算精度, 而且可以直接求解出节点的应力.