四节点二十四自由度平板壳单元几何刚度矩阵显式解析式的推演算法研究

几何刚度矩阵的推演是结构几何非线性有限元分析的重点和难点之一。推导几何刚度矩阵显式解析表达式成为简化非线性有限元列式,提高分析效率的关键。本文在协同转动法框架下,基于刚体运动法则对四节点二十四自由度的平板壳单元几何刚度矩阵显式解析式进行了推导和讨论;分析了悬臂梁大转动、不同壁厚条件下简支圆柱形屋顶空间大变位两个经典算例。研究结果表明：（1）几何刚度矩阵的显式计算公式不仅为板壳结构几何非线性列式提供了方便而且具有良好的精度;（2）推导的几何刚度矩阵适用于各类型四边形二十四自由度平板壳单元模型;（3）与数值积分相比,采用解析形式的几何刚度矩阵可以显著提高非线性响应计算效率。     

基于宏观三角形分区平板壳单元的非线性有限元分析

针对剪切闭锁效应,本文研究了一种基于假设自然应变方法的宏观三角形分区平板壳单元。利用通用有限元软件ABAQUS所提供的用户自定义单元(UEL)和用户自定义材料(UMAT)子程序,本文将宏观三角形分区平板壳单元和基于损伤能释放率的混凝土弹塑性损伤本构模型成功嵌入了ABAQUS的主分析模块。经典试验McNeice双向混凝土板的数值模拟结果表明:宏观三角形分区平板壳单元对于描述板壳结构的非线性损伤行为是行之有效的。     

杆-膜-梁-壳组合结构优化——DDDU-3程序系统

本文将板壳结构优化纳入了杆-膜-梁组合结构优化程序系统DDDU-2,从而发展成杆-膜-梁-壳组合结构优化的DDDU-3程序系统。该系统含有多种单元,可以处理组合结构的优化设计问题,具有良好的实用性。 在DDDU-3中,采用了基于离散Kirchhoff假定的三角形平板壳元。大量的数值试验和长期使用经验表明,这是一种有效的单元。在程序中,应力约束是以相当应力的形式给出     

一种区间B样条小波平板壳单元及应用

基于二维张量积区间B样条小波,构造了一种件能良好的小波平板壳单元．在小波单元的构造过程中,用二维区间B样条小波尺度函数取代传统多项式插值,在所构造的区间B样条平面弹性单元和平面Mindlin板单元的基础上组合而成．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基函数的特点．数值算例表明：与传统有限元和解析解相比,构造的小波平板壳单元具有求解精度高,单元数量和自由度少等优点．     

旋转壳的数值传递函数方法

应用数值传递函数方法建立一种用于分析旋转壳静力、动力响应的截锥壳单元,在本方法中,单元的位移在环向展开为Fourier级数的形式,应用薄壳理论可以得到解耦的微分方程,通过Laplace变换可以将方程转化为频域内的常微分方程,将其表示为状态空间形式后,可以应用数值传递函数方法求解,对复杂的系统可以应用与有限元类似的方法,划分多个单元组合求解,文中给出了几种旋转壳的动力、静力问题的数值算例,并与其它方法进行了比较,表明本文方法具有精度高,计算方便等特点。     

薄壁组合结构弹塑性屈曲分析的有限元混合解法

简略回顾了柱子和平板的弹塑性分支屈曲问题。由于薄壁组合结构内力分布的不均匀性和结构本身的复杂性,本文提出了一种计算薄壁组合结构弹塑性分支屈曲荷载的有限元混合解法。利用切线刚度增量法和修正的Newton-Raphson法计算屈曲前的弹塑性内力分布,然后和用Stowell形变理论和逆幂叠代法求弹塑性屈曲荷载。此算法已在微型计算机上实现。程序要求材料是应变强化的,并接受三种强化的应力-应变关系:(1)Ramberg-Osgood应力-应变关系,(2)双线性应力-应变关系,(3)以离散点数值输入的任意凸强化的应力-应变关系。 用本文的方法计算了梁、框架、矩形板和加筋板壳在各种边界条件和不同荷载工况下的弹塑性屈曲荷载。计算结果与解析解及有关作者的数值和实验结果很好符合。     

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。     

基于SiPESC平台的弹塑性分析的软件框架

基于开放式结构有限元分析软件系统SiPESC.FEMS,针对弹塑性非线性有限元分析理论与流程,采用工厂模式和构造器模式等经典软件设计模式,提出了一种基于面向对象设计方法的通用小变形率无关弹塑性分析软件框架。该框架利用算法与数据模型分离的思想,通过抽象出数据模型类、算法类和算法参数类,支持各功能模块的动态替换和组装,具备开放性和可扩展性。同时,基于SiPESC平台工程数据库的数据管理能力,实现了弹塑性分析中产生的大量历史数据以统一的接口与管理方式进行存取,为大规模问题的求解提供了高效、稳定的支撑。通过多类型实体单元、多类本构模型和多种规模的计算实例,验证了该计算框架在弹塑性有限元程序开发中的通用性、有效性和灵活性。     

超级有限元法及其在结构工程中的应用

本文探讨一种基于半连续半离散思想，适用于复杂结构（如高层框架、剪力墙、桁架、网架等结构系统）工程分析的超级有限元，其结构数值分析是按连续体进行，但又按单个构件进行有限元计算。这种按整体系统进行离散所获得的单元内部包含众多构件，有别于一般常见的实体有限元，称为“超级有限元”。这种方法自由度数比一般有限元法少很多，又与单元内部所含构件数多少无关，并可求取结构内每个构件的内力值。     

超级有限元法及其在结构工程中的应用

本文探讨一种基于半连续半离散思想，适用于复杂结构（如高层框架、剪力墙、桁架、网架等结构系统）工程分析的超级有限元，其结构数值分析是按连续体进行，但又按单个构件进行有限元计算。这种按整体系统进行离散所获得的单元内部包含众多构件，有别于一般常见的实体有限元，称为“超级有限元”。这种方法自由度数比一般有限元法少很多，又与单元内部所含构件数多少无关，并可求取结构内每个构件的内力值。     

基于能量平衡原理的有限单元耦合方法

结构非线性数值计算分析应真实反映局部损伤破坏细节,以作为损伤演化全过程分析的依据。对同类构件,有限单元耦合方法可以解决破坏细节与整体模拟的空间尺度差异问题。基于能量平衡原理,建立了梁与实体单元、梁与壳单元以及壳与实体单元的耦合方程,适用于结构的损伤数值计算。对某RC框架结构原位推覆试验的损伤数值分析表明,有限单元耦合模型能正确反映整体结构的承载力和变形性能,并且能准确反映局部损伤破坏细节。     

A new high-precision stress finite element for analysis of shell structures

A new high-precision finite element for analysis of shell structures is presented. It is derived from a slightly generalized equilibrium principle. Accordingly both stresses and displacements are obtained as primary result of analysis. At the assembly level the element has 45 degrees of freedom, all of them generalized displacements. For the price of some additional computational effort on the elemental level of analysis the proposed element is believed to gain certain advantages over the recently developed high-precision displacement elements. Thin as well as thick shell structures of arbitrary shape and loading can be equally analyzed. Engineering accuracy is attained with only very few elements. A variety of numerical examples demonstrates the applicability of the new element to all kinds of situations occuring in practice. A review of the existing high-precision shell elements is also included.     

用拟协调元直接构造平面任意四边形单元——进入有限元的禁区

利用拟协调元方法,在直角坐标系下直接构造了一族平面任意四边形单元,对其收敛性进行了分析,并与平面等参元进行了对比研究.结果证明平面任意四边形单元可采用多项式基函数直接列式,并可以保障单元的收敛性;拟协调元列式可以使平面问题的有限元方法得到统一.与平面等参元相比,单元列式简单,性能稳定,具有显式的刚度阵,计算量小,这说明对于有限元平面问题拟协调元是一个更正确、有效的做法.      

非确定性结构静动态特性稳健优化设计

本文研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求解。在考虑结构设计变量和其研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求 解. 在考虑结构设计变量和其他参数随机分布的前二阶矩的条件下，采用基于二阶摄动法的 随机有限元方法对结构响应的平均值和方差进行近似求解. 在摄动法有限元分析的框架下， 提出以一般函数形式表达的结构性能的平均值和标准差及其灵敏度的计算格式. 将结构 稳健性优化设计问题构造为双目标优化问题，优化目标包含结构性能函数的期望值和标准 差，约束函数的变异也给予考虑. 优化问题采用基于函数梯度的算法进行求解. 文中给出的数值算例显示了方法的有效性.     

离散元与壳体有限元结合的多尺度方法及其应用

在深入研究复杂结构和非均质材料冲击响应和破坏机理的过程中,往往遇到多尺度计算问题。本文尝试建立三维离散元与壳体有限元结合的多尺度方法用于处理圆柱壳问题,该方法采用三维离散元对感兴趣的局域进行局部模拟,利用平板壳体有限元进行整体模拟,采用一种特殊的过渡层使离散元区和有限元区能很好的衔接。我们将这一方法应用于激光辐照下充压柱壳的热/力耦合冲击破坏响应,得到的模拟结果与文献报道有较好的吻合。     

Structural–acoustic sensitivity analysis of radiated sound power using a finite element/ discontinuous fast multipole boundary element scheme

The complete interaction between the structural domain and the acoustic domain needs to be considered in many engineering problems, especially for the acoustic analysis concerning thin structures immersed in water. This study employs the finite element method to model the structural parts and the fast multipole boundary element method to model the exterior acoustic domain. Discontinuous higher‐order boundary elements are developed for the acoustic domain to achieve higher accuracy in the coupling analysis. Structural–acoustic design sensitivity analysis can provide insights into the effects of design variables on radiated acoustic performance and thus is important to the structural–acoustic design and optimization processes. This study is the first to formulate equations for sound power sensitivity on structural surfaces based on an adjoint operator approach and equations for sound power sensitivity on arbitrary closed surfaces around the radiator based on the direct differentiation approach. The design variables include fluid density, structural density, Poisson's ratio, Young's modulus, and structural shape/size. A numerical example is presented to demonstrate the accuracy and validity of the proposed algorithm. Different types of coupled continuous and discontinuous boundary elements with finite elements are used for the numerical solution, and the performances of the different types of finite element/continuous and discontinuous boundary element coupling are presented and compared in detail. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于mbS模式的有限单元法

mbS模式及其有限元法是在固体和结构分析模型中引入薄膜、弯曲和剪切理论，且采用纯拉压、纯弯和纯剪单元进行分析的数值方法。在时空系中剖分物质单元和时间单元上构造以指数函数和贝塞尔函数为插入函数且按Lagrange插值条件的薄膜、弯曲和剪切等基本位移函数，由此得到更加完备和耦合的固体和结构实体单元的变形模式，根据能量泛函变分原理得到静动力有限元基本方程的一致格式。研究表明，mbS模式及其有限元法可用于梁柱和板壳等结构的静动力分析及屈曲分析。     

壳体结构非线性分析的扁壳有限元法

用单位纵横向曲条条带法构造了扁壳单元的空间位移模式,依据拖带坐标描述去Ｓ－Ｒ分解定理,志出扁壳结构几何非线性分析的有限单元Ｕ．Ｃ．（ｕｐｄａｔｅｄ ｃｏ－ｍｏｖｉｎｇ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）列式,算例表明,该计算方法精度高,收敛性好。     

一类有限元结构分析的EBE计算方法

本文利用ＥＢＥ策略￣［１］的基本思想，给出一类有限元结构分析的ＥＢＥ计算方法，即ＥＢＥ共轭梯度法ＥＢＥ－ＣＧ和ＥＢＥ预处理共轭梯度法ＥＢＥ－ＰＣＧ，这类方法避免了传统有限元结构分析中总刚度阵的组集而可大大降低存储量要求。同时它们还特别适合在各种粒度下的多处理机系统上实现。初步数值试验结果表明：这类ＥＢＥ有限元结构分析方法对串行和并行计算都是很有效的。