基于弹性地基梁计算的Daubechies条件小波Ritz法研究

在现有的Daubechies小波Ritz法中,为方便边界条件的引入,借助于位移转换矩阵将Daubechies小波待定系数转换为节点位移。但该方法会降低计算精度,并且计算结果是多个离散的单点位移,不利于进一步解得弯矩、剪力、荷载集度。为寻求更为高效精确的弹性地基梁计算方法,对现有的Daubechies小波Ritz法进行改进,以避免位移转换矩阵的出现,从而提高了计算精度。结合广义变分原理,采用Lagrange乘子法,将边界条件作为附加条件引入自然变分条件下的泛函表达式,构造新的修正泛函。以该修正泛函的驻值条件建立求解矩阵方程组,进而解得未知场函数。此法称为Daubechies条件小波Ritz法。该法计算结果直接是小波基函数待定系数,单元内部任意点的位移均可通过小波基函数得到,也可进一步解得弯矩、剪力、荷载集度,因此比原有方法更为有效。最后,采用受均布荷载的两端铰支弹性地基梁算例,将Daubechies条件小波Ritz法计算结果与基于弹性地基梁理论的解析解进行比较,挠度值（保留小数点后6位小数）与解析解完全一致,弯矩值的相对误差为0.03%,说明Daubechies条件小波Ritz法具有较高计算精度。     

基于整体位移模式的平面裂纹结构数值模拟方法

对于平面裂纹问题,针对扩展有限元法和无网格伽辽金法的不足,从结构的整体位移模式出发,提出了一种新的数值模拟方法。在整个求解域内构造其试探函数,并引入裂纹修正项描述裂尖处的奇异性和裂纹面的强间断特性;同时,提出了一种新的强制边界条件施加方法,通过引入位移边界水平集函数,将位移边界条件包含在近似位移场的表达式中,有效地解决了位移边界条件问题,减小了刚度矩阵的阶数,非常方便地消除了刚度矩阵的奇异性,降低了线性方程组的求解难度。含裂纹矩形平板结构的数值算例验证了该方法的有效性。     

基于整体位移模式的平面裂纹结构数值模拟方法

对于平面裂纹问题,针对扩展有限元法和无网格伽辽金法的不足,从结构的整体位移模式出发,提出了一种新的数值模拟方法。在整个求解域内构造其试探函数,并引入裂纹修正项描述裂尖处的奇异性和裂纹面的强间断特性;同时,提出了一种新的强制边界条件施加方法,通过引入位移边界水平集函数,将位移边界条件包含在近似位移场的表达式中,有效地解决了位移边界条件问题,减小了刚度矩阵的阶数,非常方便地消除了刚度矩阵的奇异性,降低了线性方程组的求解难度。含裂纹矩形平板结构的数值算例验证了该方法的有效性。     

区间B样条小波薄壳截锥单元构造

利用区间B样条小波的尺度函数作为有限元插值函数,从轴对称壳的能量泛函出发,由变分原理导出了单元刚度矩阵和载荷列阵,构造了区间B样条小波薄壳截锥单元.区间B样条小波单元同时具有B样条函数数值逼近精度高和多种用于结构分析的变尺度基函数的特点.数值算例表明:与传统截锥单元相比,本文构造的小波单元具有求解精度高、单元数量和自由度少等优点.     

具有任意截面形状的各向异性平面杆系结构静力分析的回传波射矩阵法

基于Timoshenko梁静力理论和各向异性材料的本构关系,对于一般截面形状的杆系结构,推导了杆端内力与杆端位移之间的关系,并给出了作用于杆件上的荷载转化为等效节点荷载的方法.以混合节点为例,根据结构节点的力平衡和位移协调条件,推导了常见形式节点的传递分配矩阵和载荷源向量,进而得到结构的回传波射矩阵列式,求解以杆端位移为基本未知量的矩阵方程,给出了杆端位移和内力的计算公式.文中给出了算例分析.与有限元法数值结果的比较表明,回传波射矩阵法用于分析各向异性材料平面杆系结构的静力问题是有效和精确的.     

基于整体位移模式的平面孔洞结构数值模拟方法

针对平面孔洞问题提出了一种新的数值模拟方法。本文通过水平集方法引入孔洞边界、力边界和位移边界水平集函数,利用边界水平集函数来构造边界试探项,将试探空间表示为二元幂级数与边界试探项的线性组合;同时提出一种基于水平集方法的位移边界条件施加方法,利用位移边界水平集函数来构造满足位移边界条件的近似位移场,并给出了相应的刚度矩阵和载荷矩阵表达式。与FEM、XFEM、无网格法等方法相比,该方法无需将求解域离散,具有较低的计算成本、特性良好的刚度矩阵和较为广泛的适用性。数值算例验证了该方法的有效性。     

一维区间B样条小波单元的构造研究

基于区间B样条小波及小波有限元理论,提出了一种区间B样条小波有限元方法。传统有限元多项式插值被一维区间B样条小波尺度函数取代,进而构造形状函数和单元。与小波Galer-kin方法不同,本文构造的区间B样条小波单元通过转换矩阵将无明确物理意义的小波插值系数转换到物理空间。转换矩阵在小波单元构造过程中起到关键作用,为了保证求解的稳定性,转换矩阵必须非奇异。构造了以区间B样条尺度函数为插值函数的一系列一维区间B样条小波单元。数值算例表明,本文构造的区间B样条小波单元与传统有限元方法相比,在求解变截面,变载荷等问题时具有收敛快和精度高等优势;有效地丰富了小波有限元法单元库。     

改进型扩展比例边界有限元法

结合了扩展有限元法(extended finite elementmethods,XFEM)和比例边界有限元法(scaled boundary finite elementmethods,SBFEM)的主要优点,提出了一种改进型扩展比例边界有限元法(improvedextended scaled boundary finite elementmethods,$i$XSBFEM),为断裂问题模拟提供了一条新的途径.类似XFEM,采用两个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面,并基于水平集函数判断单元切割类型;将被裂纹切割的单元作为SBFE的子域处理,采用SBFEM求解单元刚度矩阵,从而避免了XFEM中求解不连续单元刚度矩阵需要进一步进行单元子划分的缺陷;同时,借助XFEM的主要思想,将裂纹与单元边界交点的真实位移作为单元结点的附加自由度考虑,赋予了单元结点附加自由度明确的物理意义,可以直接根据位移求解结果得出裂纹与单元边界交点的位移;对于含有裂尖的单元,选取围绕裂尖单元一圈的若干层单元作为超级单元,并将此超级单元作为SBFE的一个子域求解刚度矩阵,超级单元内部的结点位移可通过SBFE的位移模式求解得到,应力强度因子可基于裂尖处的奇异位移(应力)直接获得,无需借助其他的数值方法.最后,通过若干数值算例验证了建议的$i$XSBFEM的有效性,相比于常规XFEM,$i$XSBFEM的基于位移范数的相对误差收敛性较好;采用$i$XSBFEM通过应力法和位移法直接计算得到的裂尖应力强度因子均与解析解吻合\较好.      

刚接与铰接混合连接杆系结构的几何非线性分析

本文提出用子结构原理解决具有刚接与铰接混合连接空间杆系结构的几何非线性分析,实现其非线性稳定性分析的载荷-位移全过程跟踪。该法无须单独推导刚接、铰接以及一端刚接一端铰接单元的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵,而可以直接由空间梁单元退化得到,而且可以将平面问题与空间问题、刚接与铰接混合连接体系进行统一处理,算例表明,本文方法对于杆系结构的统一和整体分析是有效的。     

算子自定义小波弹性板单元构造及自适应分析

提出一类用于分析弹性板问题的算子自定义小波弹性板单元构造方法。该方法的优点在于根据工程问题的求解需要灵活构造具有解耦特性的算子自定义小波基,使得系统多尺度刚阵具有沿对角线的强稀疏性,从而实现了该算法在每个尺度上独立、快速求解,系统方程的求解效率得到较大提高。建立多分辨Lagrange有限元空间和多尺度计算理论,提出基于稳定完备法的算子自定义小波弹性板单元构造方法及解耦条件。依据两尺度相对误差估计,提出自适应算子自定义小波有限元算法。数值算例证明,算子自定义小波弹性板单元具有求解精度与计算效率高等特点。     

基于梁连续抗弯刚度与小波变换的结构损伤识别方法研究

为了解决基于小波变换系数难以识别结构边缘损伤的问题,以及试验中损伤对周边的影响导致小波系数难以精确定位损伤位置的问题,提出了基于梁连续抗弯刚度与小波变换的结构损伤位置识别方法。该方法结合梁结构连续抗弯刚度与小波系数边缘的特点,在未知无损梁结构振动参数的情况下,能有效识别出梁结构边缘损伤且能准确定位试验中梁结构的损伤,通过损伤梁的数值模拟与试验证明了该方法的正确性。     

有限元计算中疏密网格过渡方法研究

工程计算中出于节省计算量的目的,往往需要在一个有限元模型中布置粗细不同的网格。为保证计算结果的准确性,必须保证网格突变情况下的位移协调问题。本文工作之一是在强天驰界面过渡单元的基础上,引入虚拟节点和子单元,在子单元中应用节理元思想,提出了基于最小势能原理的弹簧节理单元法。简化了积分运算,避免了精度要求极高的坐标转换,从而提高了方法的精度和实用性;二是提出了基于位移约束的主从自由度法,简便实用,只需简单的矩阵运算即可实现。两种方法均实现了不同尺寸网格间位移的协调性和刚度的匹配,从而使之满足有限元收敛准则,且生成的刚度阵具有对称性及带状性。算例证明两种方法精度良好,并可方便地应用于求解大规模工程问题。     

STATIC AEROELASTICITY METHOD BASED ON EXTERNAL AERODYNAMIC FORCE AND STRIP METHOD

本文通过对载荷设计中的静气动弹性分析方法进行研究,发展了一种基于外部刚性气动力数据和改良片条理论修正的弹性载荷修正方法。其中结构变形通过工程梁方法提取部件刚度阵进行计算,气动力通过网格化模型基于外部试验或CFD气动力数据库插值得到。结构和气动之间位移和力的数据传递分别利用曲面样条和形函数面积坐标加权法插值,弹性载荷修正通过改良后的片条理论计算,由此迭代循环直至结构变形收敛。同时通过对相关工程实例进行分析计算并与成熟方法对比,验证了该方法的可行性和高效性。     

加锚体自然单元法分析与程序设计

建立了加锚体的自然单元法分析模型。结合自然相邻插值和一维轴力杆单元的劲度矩阵,推导了锚杆支护数值模拟的单元列式,给出了自然单元法分析加锚体的实施步骤和主要程序设计。结构的离散和锚杆的离散完全独立,因此可以自由地加设或拆除锚杆。算例分析表明自然单元法分析加锚体的精度与有限元的相当,但比有限元的实施要方便得多。     

A new efficient method to evaluate exact stiffness and mass matrices of non-uniform beams resting on an elastic foundation

In this paper, a new efficient method to evaluate the exact stiffness and mass matrices of a non-uniform Bernoulli–Euler beam resting on an elastic Winkler foundation is presented. The non-uniformity may result from variable cross-section and/or from inhomogeneous linearly elastic material. It is assumed that there is no abrupt variation in the cross-section of the beam so that the Euler–Bernoulli theory is valid. The method is based on the integration of the exact shape functions which are derived from the solution of the axial deformation problem of a non-uniform bar and the bending problem of a non-uniform beam which are both formulated in terms of the two displacement components. The governing differential equations are uncoupled with variable coefficients and are solved within the framework of the analog equation concept. According to this, the two differential equations with variable coefficients are replaced by two linear ones pertaining to the axial and transverse deformation of a substitute beam with unit axial and bending stiffness, respectively, under ideal load distributions. The key point of the method is the evaluation of the two ideal loads which in this work is achieved by approximating them by two polynomials. More specifically, the axial ideal load is approximated by a linear polynomial while the transverse one by a cubic polynomial. The numerical implementation of the method is simple, and the results are compared favorably to those obtained by exact solutions available in literature.     

A Projected Finite Element Update Method for Inverse Identification of Material Constitutive Parameters in transversely Isotropic Laminates

In this paper, a novel application of Finite Element Update Method (FEUM) is proposed for the inverse identification of material constitutive parameters in transversely isotropic laminates. Two-dimensional Digital Image Correlation (2D–DIC) is used for full-field measurements which is required for the identification process. Instead of measuring the in-plane displacements, which is a well-known application of 2D–DIC, we seek to measure the pseudo-displacements resulting from out-of-plane (towards camera) deflection of plate under a point load. These pseudo-displacements are basically the perspective projection of the three dimensional displacement fields on the image-plane of the image acquisition system. The cost function in this method is defined in terms of these projections instead of the true displacements – and hence the name Projected Finite Element Update Method (PFEUM). In this article, identification of in-plane elastic moduli of Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) plate has been performed using plate bending experiments which show pre-dominantly out-of-plane deflection with little contribution from the in-plane displacements. Identification results are validated by direct experimental measurements of the unknown elastic constants as well as theoretical estimates based on volume ratio of constituents. The results show good conformance between estimated and target values for at least three material parameters namely E₁, E₂ and G₁₂. Effects of experimental noise on parameter estimates has also been evaluated to explain the observed deviation in estimated parameters with current test configuration.     

薄壁杆系结构的梁元分析模型

本文导出了用于薄壁杆系结构弹性分析的薄壁梁元分析模型，在空间梁元分析模型^[3]的基础上，采用了一种改进的位移模式，考察了薄壁杆件可能发生的拉压，剪切，弯曲，扭转和翘曲等各变形形式以及它们的耦合效应，得出了相应的单元形函数，同时从工程应变的定义出发，采用Taylor级数展开的方法，建立了单元的五阶近似正交变表达式，并建立了相应的薄壁单元刚度方程，从而得出了局部坐标系下单元刚度矩阵的显式，根据本文所导出的薄壁梁元分析模型，编制了相应的结构计算程序，通过算例验证了本文所推导的单元刚度矩阵，同时通过与传统空间梁元计算模型计算结果的比较，阐述了截面翘曲对薄壁杆系结构的影响。     

大规模有限元系统的GPU加速计算研究

研究了GPU(Graphics Processing Units)计算应用于有限元方法中的总刚计算和组装、稀疏矩阵与向量乘积运算、线性方程组求解问题,并基于CUDA(Compute Unified Device Architecture)平台利用GTX295GPU进行程序实现和测试。系统总刚采用CSR(Compressed Sparse Row)压缩格式存放于GPU显存中,用单元染色方法实现总刚并行计算组装,用共轭梯度迭代法求解大规模线性方程组。对300万自由度以内的空间桁架和平面问题算例,GPU有限元计算分别获得最高9.5倍和6.5倍的计算加速比,并且加速比随系统自由度的增加而近似线性增加,GFLOP/s峰值也有近10倍的增加。