广义协调扇形板弯曲单元

本文基于修正的势能泛函,引入适当的广义协调条件,导出了一种具有12个自由度的广义协调板弯曲扇形位移单元GC—S12,这种单元自由度少,列式简单,精度高。     

12结点三维等参奇异单元的构造和应用

通过改变三维8结点六面体等参单元的结点位置、结点数目和形函数,构造了一种12结点三维等参奇异单元,该单元的应力场具有1/(√r)奇异性,可以模拟裂缝前沿的奇异应力场;该单元的位移模式在其中两个坐标方向是线性变化的,因此,该单元与线性单元连接时不需要过渡单元,仍能保证交界面位移协调,克服了20结点三维等参奇异单元不能与线性单元协调连接的缺陷;文章最后将该奇异单元布置在裂缝前沿,应用有限元法计算了三点弯曲梁预制裂缝前沿的应力强度因子,该结果与规范公式计算值基本一致.     

含面内转动自由度的广义协调曲面矩形扁壳元

扁壳单元中引入结点转角自由度可以在不增加结点的情况下,增加位移场的阶次,提高计算精度,从而显著地提高单元性能。同时在单元中引入泡状位移场,能有效地扩大了单元位移场的解空间,所构造的单元具有计算精度高、对计算网格畸变不敏感的优良特性。本文利用广义协调薄板单元RGC-12的位移函数作为扁壳元的法向位移,利广义协调矩形膜元的位移函数作为扁壳面的切向位移,通过附加面内转动自由度构造了一个具有24个自由度的4结点广义协调曲面矩形扁壳元GRC-S24。在此基础上再增加一个广义泡状位移,又构造了一个具有更高计算精度的曲面矩形扁壳元GRC-S24M。并通过实例分析对这两个单元的收敛性和精度进行了验证。     

曲面拟合在拉格朗日反分析方法中应用的探讨

把一组不同位置的速度(应变)波形构筑的x-t域离散成8节点或9节点单元,每个单元的插值函数为10或12参数多项式,利用拉格朗日反分析可以得到相应的应力(速度)波形。正如路径线法,曲面拟合反分析的某一单元函数值计算需要利用前一单元与该单元交界点的计算值,因而误差生成和发展有时很难预测、控制。文中对不同位置、不同数量量计线情况下,拉格朗日反分析中的曲面拟合法及路径线法误差生成、发展进行了分析,分析结果对材料实验中布置速度(应变)传感器的数量及其间距是有一定帮助的。     

九参三角形板元收敛的弱连续条件

引入分片试验的要求分别从协调方程和薄板弯曲平衡方程的弱形式,导出了相同的保证薄板单元收敛的弱连续条件。它也满足F-E-Test,所以收敛性是得到保证的。与积分连续条件相比,弱连续条件更弱。采用弱连续条件构造薄板单元,意味着薄板弯曲的C1连续性要求不是必要的,不仅放松了单元间的C1连续性要求,而且扩大了构造薄板弯曲单元的范围。根据本文的弱连续条件,构造了两个单元作为算例,它通过Irons的分片试验;对12种情形,数值计算表明,数值精度也很高,在16×16的细网格下它们的平均计算精度开始高于DKT。     

纤维杆元模型在框架结构非线性分析中的应用

本文基于Fiber模型,结合分段变刚度概念,推导建立了便于框架结构非线性分析应用的纤维杆元模型,即由杆件两端弹塑性区的纤维子单元及杆件中部弹性区的弹性子单元组成。弹塑性区由于受力较大,采用精细的纤维子单元模拟,中间弹性区受力相对较小,直接采用弹性子单元代替;同时,应用增分理论,分别推导了三维纤维子单元及弹性子单元的单刚矩阵,并采用静力凝聚方法,集成了三维纤维杆元模型的刚度矩阵。另外,直接应用混凝土及钢筋的本构关系,利用该计算模型对一栋12层框架结构进行了时程非线性分析,计算结果与振动台试验结果进行了比较,比较结果表明两者在结构动力特性,位移响应方面等均吻合较好,验证了该模型的有效性,可为推广使用提供参考。     

钢筋混凝土平面框架节点单元BCJ⁃5N

本文基于四根刚臂梁结合12个外接一维单元建立了钢筋混凝土框架节点单元，单元具有5个节点15个 自由度，称之为“BCJ-5N”单元．每个节点具有3个自由度，与普通梁单元一致，从而确保本单元适合于同普 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．单元考虑了梁受力钢筋在框架节点内的黏结滑移作 用，并通过钢筋混凝土梁正截面强度设计建立了梁端弯矩与截面转角关系的骨架曲线，结合Lowes加载卸载模 型，组成了完整的静力、动力分析的框架节点单元，并将其移植到 ABAQUS通用分析平台上，通过对两跨三 层钢筋混凝土框架结构的滞回分析和三跨三层钢筋混凝土框架结构的动力分析两个算例，验证了本模型适合于 进行循环荷载和动力荷载作用下平面框架结构非线性响应分析．     

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     

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.      

高效的三维曲梁单元

三维井眼中延伸数千米的三维细长圆截面钢钻柱应力分析问题是一个复杂的力学问题,通常使用有限元数值分析方法对其进行受力分析。而在进行有限元分析时,现有的圆弧曲粱单元和空间直粱单元在几何上都不能很好地模拟三维曲线形状的钻柱。为了确保计算精度．其单元划分势必不能过大,结果是计算时间长,收敛性差。为了解决这一问题,显然必须构建一种新的较有效的曲梁单元。基于自然坐标系,依据圆截面空间曲粱单元节点有6个自由度——3个线位移和3个角位移,利用包含全部刚体位移模式和常应变的形函数,忽略剪切变形,假设变形后的梁轴线的弯曲曲率改变为线性变化,建立起了保证收敛性的具有12个自由度的有初始曲率和挠率的圆截面空间曲梁的有限元模型。为了证明给出的有限元模型的高效性,分析了几个静态问题,并与现有文献中的解析解或数值结果进行了比较。基于所给出的结果,可望该有限元模型可以作为分析三维空间曲粱结构的有效工具。     

A cubic quadrilateral spline element with concave shapes

Basic requirement for applying isoparametric element is that the element has to be convex and no violent distortion is allowed. In this paper, a cubic quadrilateral spline element with 12 nodes has been developed using the triangular area coordinates and the B-net method, which can exactly model the cubic field for quadrilateral element with both convex and concave shapes. Neither mapping nor coordinate transformation is required and the spline element can obtain high accuracy solutions and insensitive to mesh distortions.     

Incompatible curved quadrilateral plate bending element with 12-degrees of freedom

This paper presents a new curved quadrilateral plate element with12-degree freedom by the exact element method.The method can be used to arbitrary non-positive and positive definite partial differential equations without variation principle.Using this method,the compatibility conditions between element can be treated very easily,if displacements and stress resultants are continuous at nodes between elements.The displacements and stress resultants obtained by the present method can converge to exact solution and have the second order convergence speed.Numerical examples are given at the end of this paper,which show the excellent precision and efficiency of the new element.     

A new twelve DOF quadrilateral element for analysis of thick and thin plates

A simple quadrilateral 12 DOF plate bending element based on Reissner–Mindlin theory for analysis of thick and thin plates is presented in this paper. This element is constructed by the following procedure:

• 1.the variation functions of the rotation and shear strain along each side of the element are determined using Timoshenko's beam theory; and
• 2.the rotation, curvature and shear strain fields in the domain of the element are then determined using the technique of improved interpolation.

The proposed element, denoted by ARS-Q12, is robust and free of shear locking and, thus, it can be employed to analyze very thin plate. Numerical examples show that the proposed element is a high performance element for thick and thin plates.     

A rectangular element of thin plates based upon the generalized variational principles

Based on generalized variational principles, an element called M R-12 was constructed for the static and dynamic analysis of thin plates with orthogonal anisotropy. Numerical results showed that this incompatible element converges very rapidly and has good accuracy. It was demonstrated that generalized variational principles are useful and effective in founding incompatible element. Moreover, element MR-12 is easy for implementation since it does not differ very much from the common rectangular element R-12 of thin plate.     

一种提高四边形四节点平面壳单元计算精度的新方法

平面壳单元是由平面应力单元和平板弯曲单元叠加组合而成,具有简单的理论表达,但是它在计算曲面壳体结构时误差较大。为了进一步提高平面壳单元的计算精度,本文提出了一种计算平面壳单元刚度矩阵的新方法。通过该方法在高斯积分点建立多个单元局部坐标系,并保证每个局部坐标系都位于单元在高斯点处的切平面上,从而可以有效适应曲面壳体形状,达到进一步提高平面壳单元计算精度的目的。为了在这种新坐标系下计算单元刚度矩阵,给出了求解形函数对局部坐标的导数、局部到自然坐标系积分转换的雅可比、以及局部到整体坐标系的转换矩阵的新型计算方法。通过将这些新坐标系以及新计算方法运用到平面壳单元DKQ24中,可以有效提高平面壳单元尤其是在计算曲面壳体时的精度。计算结果表明,本文方法和平面壳单元相结合,不仅具有平面壳单元简单的理论表达式,还能得到满意的精度。另外,本文方法还可以应用到其他类型的平面壳单元,为提高其他类型平面壳单元的计算精度提供了一种新的途径和思路,具有广阔的应用前景。     

Exact finite element method

In this paper,a new method,exact element method for constructing finite element,ispresented.It can be applied to solve nonpositive definite or positive definite partialdifferential equation with arbitrary variable coefficient under arbitrary boundarycondition.Its convergence is proved and its united formula for solving partial differentialequation is given.By the present method,a noncompatible element can be obtained and thecompatibility conditions between elements can be treated very easily.Comparing the exactelement method with the general finite element method with the same degrees of freedom,the high convergence rate of the high order derivatives of solution can be obtained.Threenumerical examples are given at the end of this paper,which indicate all results canconverge to exact solution and have higher numerical precision.     

Construction of rectangular displacement-based element for thick/thin plates

In this paper, a method of constructing displacement-based element for thick/thin plates is developed by using the technique of generalized compatibility, and a rectangular displacement based element with 12 degrees of freedom for thick/thin plates is presented. This method enjoys a good accuracy with simple formulation and is free of shear locking as the thickness of the plate approaches zero. The project supported by National Natural Science Foundation of China through Grant No. 59208075     

动态断裂力学的无限相似边界元法

对弹性动力学的相似边界元法进行了进一步研究,推导了相应的计算公式,并在此基础上提出了动态断裂力学的无限相似边界元法.与传统的边界元法相比,相似边界元法由于只需在少数单元上进行数值积分,大大减少了计算量.对动态断裂力学问题,无限相似边界元法由于在裂纹尖端的边界上设置了逼近于裂纹尖端的无限个相似边界单元,可直接得到裂纹尖端具有奇异性的应力,而不需要设置奇异单元,从而突破了奇异单元对应力奇异性阶次的局限.另外,还讨论了无限相似边界元法得到的无限阶的线性代数方程组的求解方法.