满足PTC的三维非协调形函数的显式处理

介绍了满足分片检验条件（ＰＴＣ）的非协调形函数生成方法，显式给出了满足ＰＴＣ的三维非协调元ＮＨ１１的内位移函数。计算表明显式处理后的单元与原单元具有相同的精度，但却在很大程度上节省了单刚形成时间和计算单元应力花费，进一步发挥了非协调元的数值潜力。     

用于几何非线性分析的内参型非协调元法

本文把内参型非协调元的理论和方法推广应用于几何非线性分析。对方法的合理性、可行性、单元收敛条件及实用简化方案等诸方面作了初步探讨。文章以大位移平面问题为例进行了详细讨论,给出了有限元非线性列式的全过程和数值结果。     

横观各向同性轴对称问题的非协调元和杂交应力元计算

基于变分原理得出各向同性轴对称问题下的非协调元和杂交应力元方法仍然适用于分析横观各向同性轴对称问题的结论，同时对应用于各向同性问题的罚平衡优化方法进行了修改，使之能够应用于横观各向同性问题的分析。文中给出了分析算例。并对各种单元结果进行了比较，计算结果表明非协调元和杂交应力元方法不但适用于横观各向同性轴对称问题分析，而且将提高其数值解的精度，改善单元内部应力分布。     

带转动自由度的内参型非协调元研究

非协调元虽然破坏了单元间位移的连续性，却能很好地反映弯曲类变形，然而在不增加单元结点自由度的情况下，非协调元的计算精度总是滞留在某一水平，无法得到较大改变。基于修正后的位移型Reissner泛函中引入独立转动场的变分原理，采用连续介质力学中的转动自由度的定义，转动场采用结点真实转角来插值，结合平面四结点单元讨论了有效附加非协调位移的合理形式，引入了适用于任何四边形单元的非协调位移函数，从而建立了一种带转动自由度的平面四结点内参型非协调元模型。本文单元能通过分片检验，并易于与带转动自由度的梁单元相容．教值算例表明具有较高的计算精度。     

基于Hellinger-Reissner变分原理的应变梯度杂交元设计

从一般的偶应力理论出发，基于Hellinger-Reissner变分原理，通过对有限元 离散体系的位移试解引入非协调位移函数，得到了偶应力理论下有限元离散系统的能量相容 条件，并由此建立了应变梯度杂交元的应力函数优化条件. 根据该优化条件，构造了一 个C0类的平面4节点梯度杂交元，数值结果表明，该单元对可压缩和不可压缩状态的 梯度材料均可给出合理的数值结果，再现材料的尺度效应.     

一个6参数平面等参非协调元

本文根据凝聚单元附加非协调位移参数前单元总位移在直角坐标下完备的了概念,利用平衡约束条件,导出一种每个单元位移分量(平均)只含2个非协调位移参数的等参非协调元,计算结果表明该单元数值性能令人满意。     

用非协调边界元处理角点问题

采用非协调单元,有效地解决了边界元的角点问题,给出了含有两个配位因子时非协调线性单元的系数矩阵的表达式,对弹性力学平面问题进行了数值计算.通过采用常数单元、线性非协调单元的计算结果与解析解的比较和分析,证明在均布载荷作用下,两者的计算结果都接近解析解;在非均布载荷作用下,线性单元的结果明显优于常数单元.结果表明,非协调边界元法是一种有效的处理角点问题的方法;线性非协调单元能够更好地处理非均布载荷,提高边界元法的计算精度.     

基于最佳质量网格的薄板问题的非协调流形方法

对于大部分非协调板单元,使用规则网格能得到很好的效果。但是,当网格不规则时,非协调元的数值特性将变得很差,甚至收敛性得不到保证。为解决网格依赖性问题,许多专家学者提出了改造单元,如拟协调元法和广义协调元法,这些方法能解决收敛性问题,但是数值实践证明没有一种单元能在所有情况下都具有良好的数值特性。考虑到流形方法采用两套完全独立的覆盖系统,可以用规则的数学网格来作为数学覆盖进行插值,取得最佳的插值效果,单元收敛性便能得到保证。再结合适用于流形方法的变分提法,建立起流形方法处理非规则物理边界非协调板单元的一般格式。以ACM 薄板单元为例,与ANSYS、拟协调元法和广义协调元法进行了对比,证明本文方法在处理具有曲线边界的薄板弯曲问题时具有收敛快和精度高等优势。     

基于最佳质量网格的薄板问题的非协调流形方法

对于大部分非协调板单元,使用规则网格能得到很好的效果。但是,当网格不规则时,非协调元的数值特性将变得很差,甚至收敛性得不到保证。为解决网格依赖性问题,许多专家学者提出了改造单元,如拟协调元法和广义协调元法,这些方法能解决收敛性问题,但是数值实践证明没有一种单元能在所有情况下都具有良好的数值特性。考虑到流形方法采用两套完全独立的覆盖系统,可以用规则的数学网格来作为数学覆盖进行插值,取得最佳的插值效果,单元收敛性便能得到保证。再结合适用于流形方法的变分提法,建立起流形方法处理非规则物理边界非协调板单元的一般格式。以ACM薄板单元为例,与ANSYS、拟协调元法和广义协调元法进行了对比,证明本文方法在处理具有曲线边界的薄板弯曲问题时具有收敛快和精度高等优势。     

结构拓扑优化的一些基本概念和研究方法

介绍了结构拓扑优化研究领域的一些基本概念和主要问题。分析了拓扑优化结构的类桁架性质以及离散化性质,给出了几个作为标准算例的典型解析解答。简述了各种结构拓扑优化数值方法的优化策略和特点。解释了连续体结构拓扑优化数值方法中普遍存在的单元依赖性、奇异性、棋盘格等数值计算不稳定问题现象。介绍了准则法、序列规划方法和启发式算法等各种数学优化求解方法的基本原理。使初学者初步建立结构拓扑优化相关基本概念。     

非协调四结点平面等参位移元新列式方法

本文导出一种等参协调元位移函数的新的表示方法,在此基础上建立起了构造等参非协调元的新方法。作为实例,构造出两个可以给出单刚显式的四结点平面非协调新单元。     

密闭腔体声-结构耦合系统的动力灵敏度分析

以密闭空腔为对象,开展了声-结构耦合系统的动力分析和灵敏度计算,为系统性态优化设计提供理论和算法基础。分别把结构和声场进行离散化,推导了声-结构耦合系统的有限元方程,求解了耦合系统的频率和声压级响应。在此基础上,以结构尺寸为设计变量,计算了耦合系统的固有频率和声压级响应的灵敏度,解决了声-结构耦合系统动力灵敏度的数值算法问题。     

基于单元密度进化步长控制的双向渐进结构优化方法

在渐进结构优化方法中,单元密度的进化步长是获得全局最优解的关键因素之一。为了提高渐进结构优化方法的全局寻优能力,提出一种基于单元密度进化步长控制的双向渐进结构优化方法。该方法根据各单元对结构性能影响的权重系数,建立单元密度进化步长的控制模型以控制主/次要单元的删除速率和添加速率,减小灵敏度误差并抑制灰度单元的产生。在控制单元密度进化步长的基础上结合双向渐进结构优化方法中添加单元的特点,以避免由于误删单元导致优化失败。同时,采用灵敏度再分配技术抑制棋盘格式以获得更平滑的优化构形。最后,通过两个算例验证了本文方法能有效地通过控制单元密度进化步长提高全局寻优能力。     

Theoretical basis and general optimal formulations of isoparametric generalized hybrid/mixed element model for improved stress analysis

By the modified three-field Hu-Washizu principle, this paper establishes a theoretical foundation and general convenient formulations to generate convergent stable generalized hybrid/mixed element (GH/ME) model which is invariant with respect to coordinate, insensitive to geometric distortion and suitable for improved stress computation. In the two proposed formulations, the stress equilibrium and orthogonality constraints are imposed through incompatible displacement and internal strain modes respectively. The proposed model by the general formulations in this paper is characterized by including assumed stress/strain, assumed stress, variable-node, singular, compatible and incompatible GH/ME models. When using regular meshes or the constant values of the isoparametric Jacobian Det in the assumed strain interpolation, the incompatible GH/ME model degenerates to the hybrid/mixed element model. Both general and concrete guidelines for the optimal selection of element shape functions are suggested. By means of the GH/ME theory in this paper, a family of new GH/ME can be and have been easily constructed. The software can also be developed conveniently because all the standard subroutines for the corresponding isoparametric displacement elements can be utilized directly. Modified version of a conference paper presented at Int. Conf. on EPMESC IV, July 29–Aug. 3, 1992, Dalian, China     

QUADRILATERAL 4-NODE QUASI-CONFORMING PLANE ELEMENT WITH INTERNAL PARAMETERS

在拟协调框架之下,利用新的内参形函数构造了一个四边形四节点拟协调平面单元. 新的内参位移函数也可以添加到等参单元Q4 中来构造新的内参型等参单元. 新构造的拟协调单元QC6N 具有显式刚度矩阵,因而效率更高. 数值例子表明相比于四节点等参单元,新构造的单元可以提高计算精度和抗网格畸变的能力.     

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。     

基于水平集法的薄板加强筋分布优化理论研究

基于水平集方法,提出薄板加强筋分布的拓扑优化理论。采用Kirchhoff板单元,通过刚度等效,分别使用不同的抗弯刚度表征薄板与加强筋,继而通过水平集方法描述加强筋的布局并进行加强筋分布拓扑优化。以最小柔顺度为设计目标,进行了几种典型载荷下加筋板结构的加筋分布优化设计,通过与变密度方法（SIMP）结果以及现有文献设计结果进行对比,验证了本文提出的加强筋分布拓扑优化理论。结果显示,本文方法能够避免灰度单元,获得清晰的加强筋优化布局和尺寸。     

内参型四边形四节点拟协调平面单元

在拟协调框架之下,利用新的内参形函数构造了一个四边形四节点拟协调平面单元. 新的内参位移函数也可以添加到等参单元Q4 中来构造新的内参型等参单元. 新构造的拟协调单元QC6N 具有显式刚度矩阵,因而效率更高. 数值例子表明相比于四节点等参单元,新构造的单元可以提高计算精度和抗网格畸变的能力.      

Two 8-node quadrilateral spline elements by B-net method

Isoparametric quadrilateral elements are widely used in the finite element method, but the accuracy of the isoparametric quadrilateral elements will drop obviously deteriorate due to mesh distortions. Spline functions have some properties of simplicity and conformality. Two 8-node quadrilateral elements have been developed using the triangular area coordinates and the B-net method, which can exactly model the quadratic field for both convex and concave quadrangles. Some appropriate examples are employed to evaluate the performance of the proposed elements. The numerical results show that the two spline elements can obtain solutions which are highly accurate and insensitive to mesh distortions.     

蜂窝夹芯圆环的拓扑优化设计及尺度效应研究

采用尺度关联的一体化设计方法开展了旋转周期圆环结构的拓扑优化设计研究，以宏观 结构的最大刚度为目标，研究了材料表征体胞尺度、构型以及不同载荷作用形式对蜂窝夹芯 圆环结构优化结果的影响. 所提出的无量纲结构构型因子实现了优化结构的结构效率量化评 估. 结合SIMP材料模型和周长控制方法，实现了宏观结构和细观表征体胞的优化设计，获得 清晰的材料分布. 数值算例表明，尺度关联的一体化设计方法能有效地完成圆环结构的拓扑 优化设计，设计结果充分反映体胞尺度效应对旋转周期圆环结构夹芯构型的影响.