粘弹性大变形动力响应的有限元分析

本文基于Ｔｏｔａｌ Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ增量叠加方法，采用Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力增量和Ｇｒｅｅｎ应变增量表示的动力虚功方程和Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力－Ｇｒｅｅｎ应变的单积分型本构关系，导出粘弹性大变形的动力变分方程。依此采用Ｎｅｗｍａｒｋ法和八节点轴对称等参数元与二十节点三维等参数元编制了轴对称及三维问题的动力响应计算程序，典型例题的计算结果表明分析符合结构的物理性质。     

粘弹性大变形动力响应的有限元分析

本文基于ＴｏｔａｌＬａｇｒａｎｇｉａｎ增量叠加方法，采用Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力增量和Ｇｒｅｅｎ应变增量表示的动力虚功方程和Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力－Ｇｒｅｅｎ应变的单积分型本构关系，导出粘弹性大变形的动力变分方程。依此采用Ｎｅｗｍａｒｋ法和八节点轴对称等参数元与二十节点三维等参数元编制了轴对称及三维问题的动力响应计算程序，典型例题的计算结果表明分析符合结构的物理性质。     

任意四边形Reissner—Mindlin板元

提出一种任意四边形Ｒｅｉｓｓｎｅｒ－Ｍｉｎｄｌｉｎ板元，挠度和转角均采用分片双线性函数。但剪切应变用它的线性扦值所代替，当板厚趋于零时这对应于Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ条件，因而避免了Ｌｏｃｋｉｎｇ现象。给出数值结果表明该单元的有效性。     

拉格朗日几何非线性混合应变元

本文应用由Ｓｉｍｏ和Ｒｉｆａｉ建议的混合假定附加应变途径，采用第二Ｐｉｏｌａ－Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力张量和Ｇｒｅｅｎ－Ｌａｇｒａｎｇｅ应变张量作能量共轭的应力应变度量，导出了Ｌａｇｒａｎｇｅ几何非线性下的胡海昌－Ｗａｓｈｉｚｕ三变量变分原理的Ｇａｌｅｒｋｉｎ形式以及相应的混合假定应变元公式。     

可伸长变截面杆的弹性过屈曲模型及其数值解

在Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ基本假设下,基于轴线可伸长弹性杆的几何非线性理论,建立了一端简支另一端固定夹紧变截面直什的过屈曲控制方程,并应用打靶法直接数值求解相应的强非线性过值问题,获得了数值意义上的精确解。     

介绍《板壳断裂力学》一书

柳春图与蒋持平教授撰写的《板壳断裂力学》受国防科技图书出版基金的资助,将于１９９９年下半年由国防工业出版社出版．我乐于向读者推荐这部优秀专著．断裂力学是力学界多年来的热门课题．现在平面应力状态的断裂力学已研究得相当充分,并已出版了多种理论和实用的专著,可供工程界选用．但可惜在工程界有更多应用价值的板壳断裂力学发展却大大滞后,原因是经典的Ｋｉｃｒｈｈｏｆｆ薄板弯曲理论在板的自由边附近有很大的误差,而断裂恰恰发生在两条自由边的交叉点上．要想解决板壳的断裂力学问题,必须依据比Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ型理论更…     

求解Reissner板弯曲问题的一种新方法

运用摄动理论首次将Ｒｅｉｓｓｎｅｒ板理论分解为一系列Ｋｉｒｃｈｈｏｆ板理论的叠加。这样，Ｒｅｉｓｓｎｅｒ板问题的解答就可通过在具体边界条件下求解一系列Ｋｉｒｃｈｈｏｆ板问题来获得。算例表明，本文方法简单，只需摄动两次就能接近Ｒｅｉｓｓｎｅｒ板理论的精确解，适合在实际工程中推广     

大转动梁的几何非线性分析讨论

本文借助Ｌａｇｒａｎｇｅ（Ｔ．Ｌ．）法、修正的Ｌａｇｒａｎｇｅ（Ｕ，Ｌ，）法及带有动坐标的迭代法求解梁的几何非线性问题，说明了各自的特点，澄清了若干基本概念。指出动坐标方法实质上就是Ｕ．Ｌ．法，它适合于分析具有大转动梁的问题，并可方便地推广到大转动的板壳问题。同时指出对于几何非线性问题，可以不必区分Ｃａｕｃｈｙ应力和Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力。     

大转动梁的几何非线性分析讨论

本文借助Ｌａｇｒａｎｇｅ（Ｔ．Ｌ．）法、修正的Ｌａｇｒａｎｇｅ（Ｕ．Ｌ．）法及带有动坐标的迭代法求解梁的几何非线性问题，说明了各自的特点，澄清了若干基本概念，指出动坐标方法实质上就是Ｕ．Ｌ．法，它适合于分析具有大转动梁的问题，并可方便地推广到大转动的板壳问题，同时指出对于几何非线性问题，可以不必区分Ｃａｕｃｈｙ应力和Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力。     

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。     

An improved discrete Kirchhoff triangular element for bending,vibration and buckling analyses

In this paper, an improved triangular discrete Kirchhoff thin plate element IMDKT is introduced for bending, vibration and buckling analysis. In the case of bending analysis, new boundary displacements coupled with a correction factor are introduced in the proposed element for improving the accuracy. As for vibration and buckling analyses, the combined mass and combined geometric stiffness matrices are employed to improve the calculations of natural frequency and buckling load, respectively. Several numerical examples have been used to illustrate the versatility and potential accuracy of the present methods. A comparison between the proposed and some existing elements shows that the former is superior to the latter for thin plate bending, vibration and buckling analyses.     

Development of quadrilateral spline thin plate elements using the B-net method

The quadrilateral discrete Kirchhoff thin plate bending element DKQ is based on the isoparametric element Q8, however, the accuracy of the isoparametric quadrilateral elements will drop significantly due to mesh distortions. In a previous work, we constructed an 8-node quadrilateral spline element L8 using the triangular area coordinates and the Bnet method, which can be insensitive to mesh distortions and possess the second order completeness in the Cartesian coordinates. In this paper, a thin plate spline element is developed based on the spline element L8 and the refined technique. Numerical examples show that the present element indeed possesses higher accuracy than the DKQ element for distorted meshes.     

基于T样条的变网格等几何薄板动力学分析

具有大位移、大变形的薄板在接触碰撞等工况下, 其局部应变会产生剧烈变化. 为了保证对其进行动力学分析的精度和计算效率, 本文整合计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助工程(CAE)系统, 提出了一种基于T样条曲面的变网格柔性系统等几何分析方法. 首先, 建立基于T样条曲面单元的基尔霍夫薄板运动学模型, 并根据非线性格林?拉格朗日应变建立由T样条曲面单元离散的薄板弹性模型. 其次, 通过在T网格中的局部区域插入节点的方式, 达到T样条曲面网格局部更新的目的. 利用T样条混合函数细化算法得到计算新广义变量的转换矩阵, 并结合广义α法创建了变自由度系统动力学方程的求解算法, 形成了系统的T样条单元局部细化算法. 最后, 静力学算例与柔性单摆模型分别验证了T样条薄板弹性模型的正确性, 以及T样条薄板单元在动力学分析上的精度和收敛性. 通过对受冲击柔性薄板的动力学分析表明, 本文所提出T样条单元及局部细化算法可以只在接触碰撞等应变剧烈变化的区域实现局部网格细化, 从而控制系统自由度数, 提高计算效率.      

基于任意四边形单元的约束阻尼板的模态分析

约束层阻尼技术目前广泛应用于薄壁结构的减振降噪中,关于约束阻尼板的有限元分析基本采用矩形或三角形单元,但用于模拟不规则形状结构时,会带来形状拟合上的困难或精度上的不足。基于离散Kirchhoff理论和Layer-wise层合板理论,利用Hamilton原理推导了约束阻尼板的任意四边形单元,并在此基础上考虑粘弹性材料本构的频率相关性,给出了约束阻尼结构复特征值问题的迭代求解算法。数值算例对不同形状的约束阻尼板结构进行了模态分析,通过与解析解、实验结果及有限元结果的对比,表明了本文单元的有效性和对不规则形状结构的适用性。     

Stress boundary conditions for plate bending

The determination of the appropriate boundary conditions for a two-dimensional theory of elastic flat plates (and shells) consistent with the expected order of accuracy of the theory is both critical and challenging. The reciprocal theorem of elasticity will be applied in a novel way to obtain the appropriate stress boundary conditions for plate bending accurate to all order (with respect to the usual dimensionless thickness parameter) for plates of general edge geometry and loading. Kirchhoff’s two contracted stress boundary conditions are shown to be consistent with a leading term (thin plate) approximation theory, but the more general results obtained herein are needed for higher order theories.     

压电薄板屈曲有限元分析及DKQ单元

在机电耦合本构方程基础上,利用Hamilton原理推导了压电薄板屈曲分析的有限元特征方程和机电耦合的内力计算公式,在有限元实现中选择了基于Kirchhoff薄板假定的四边形薄板单元（DKQ单元）,并给出该单元的几何刚度阵及其数值积分方法。在大型通用有限元分析和优化设计软件系统JIFEX中实现了该方法。给出的数值验证了DKQ单元在屈曲分析和压电薄板静力分析中具有较高精度和收敛性,通过机械荷载和电荷载联合作用下的临界荷载计算,表明压电耦合效应能够影响结构的稳定性,可以通过改变外加电压对结构稳定性进行控制。     

曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析

相比传统加筋板,曲线加筋板能够更充分地发挥材料力学性能.在加筋板力学分析中,厚板通常采用Reissner-Mindlin理论,然而当板厚较薄时易出现剪切自锁,离散的Kirchhoff-Mindlin理论采用假设剪切应变场可避免该问题.针对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析,采用离散的Kirchhoff-Mindlin三角形单元和Timoshenko曲梁单元分别模拟板和加强筋,根据板的位移插值函数及筋板交界面的位移协调条件,建立基于板单元位移自由度的有限元方程.为了验证方法的有效性和准确性,采用直线加筋薄板、曲线加筋薄板和厚板3种模型进行算例研究,通过收敛性和精度分析来选择合理的有限元网格密度.直线加筋薄板前20阶固有频率均与文献结果吻合良好;曲线加筋板算例中,本文方法满足收敛条件的板单元数目为2469,Nastran模型板单元数目为6243;本文所得曲线加筋板固有频率与Nastran计算结果最大误差为3.4%.研究结果表明,本文方法无需筋板单元共节点,可使用较少的有限元网格数量,并能够保证计算精度;在离散Kirchhoff-Mindlin三角形板单元基础上构造Timoshenko梁单元可同时适用于曲线加筋薄板与厚板自由振动分析.     

采用两步优化器的深度配点法与深度能量法求解薄板弯曲问题

随着计算机技术的进步以及机器学习算法的进一步发展,深度学习方法逐渐被广泛引用于各行各业中。本文发展并比较了适应于工程计算的深度配点法与深度能量法并应用于求解薄板弯曲问题。深度配点法采用物理驱动的深度神经网络来,并将物理信息（偏微分方程强形式）引入到损失函数中,最终将求解薄板弯曲问题简化为优化问题。深度能量法则是采用系统总势能驱动的神经网络。根据最小势能原理,在所有的可能位移场中,真实位移场的总势能取最小值,因此我们可以使用总势能构造损失函数,从而求解薄板弯曲问题。对于边界条件,通过罚函数法将有约束最优化问题转化为求解无约束最优化问题。深度配点法与深度能量法的适用性基于神经网络的通用近似定理。由于物理信息跟总势能的引入,增加了神经网络训练的困难,为了解决这个问题,我们发展了两步优化器方法。数值结果表明,深度配点法与深度能量法很适合求解薄板弯曲问题,并且程序实现简单,实现了真正意义上的“无网格法”。     

Estimates for Divergence Velocities of Axially Moving Orthotropic Thin Plates

Some models for axially moving orthotropic thin plates are investigated analytically via methods of complex analysis to derive estimates for critical plate velocities. The linearized Kirchhoff plate theory is used, and the energy forms of steady-state models are considered with homogeneous and inhomogeneous tension profiles in the cross direction of the plate. With the help of the energy forms, some limits for the divergence velocity of the plate are found analytically. In numerical examples, the derived lower limits for the divergence velocity are analyzed for plates with small flexural rigidity.     

采用SemiLoof型约束条件的薄板三角形广义协调元

本文综合广义协调元和SemiLoof元的优点,消除其缺点,建立一个九自由度三角形薄板单元。单元自由度只含常规的角点自由度,不采用SemiLoof元还包含边点自由度的复杂作法。着眼于广义协调,克服了某些非协调元不能通过分片检验的致命弱点。采用SemiLoof型约束条件,即全部采用离散型(点型)协调条件,不采用广义协调元通常采用的积分型协调条件的复杂作法。从简便实用、高精度和收敛可靠进行全面衡量,本单元是同类低阶薄板单元中的最优单元。