精化不协调平面八节点元

用直角坐标表示的多项式直接插值，建立了满足的收敛要求的不协调平面八节点单元，其列式比等参协调元法简单，直接，单元精度高且可推出刚度阵显式。     

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.      

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。     

弹塑性有限元增量分析的自动选择步长和用予测本步刚度阵求解

本文利用本步刚度参数(current stiffness parameter)概念,对改进弹塑性有限元增量分析的效率和精度提出了两个具体措施。 1.自动选择每个增量步的步长,可在保证精度的前提下大量缩减总的增量步数,并有效地解决了计算结构极限载荷的问题。 2.用予测获得的本步刚度阵代替现行的起点切线刚度阵求解本步载荷增量,可大量缩减每个步长的迭代次数,提高收敛速度。     

隐格式近似不可压四面体4节点大变形单元

由于在处理体积自锁方面的优势,近似不可压问题的大变形求解多采用六面体单元/网格,但对于复杂工程问题,由于网格剖分上的限制,往往更需要一种可以很好解决体积自锁的四面体单元。Bonet和Burton的平均节点压力4节点四面体单元是为数不多能够较好处理体积自锁问题的四面体单元之一,但是该单元目前主要用于显式计算。利用单元平均压力对位移增量的精确方向导数,得到了严格的一致切线阵,保证了Newton-Raphson迭代的二阶收敛,从而使得该单元可以用于隐式计算。该单元的压力平均计算会耦合相邻单元的节点自由度,从而增加切线刚度阵的非零带宽,但不增加自由度总数。分别采用线性六面体选择缩减积分单元、标准线性四面体单元和本文的单元计算了3个近似不可压的典型算例。算例表明,本文推导的单元可以有效克服体积自锁,达到与常用六面体单元相近的效果,使得四面体网格可以方便地用于不可压问题的大变形隐式求解。     

弹塑性大变形分析的一致性高阶无单元伽辽金法

采用无单元伽辽金法求解弹塑性大变形问题。充分利用无单元法易于建立高阶近似函数的优点,位移采用二阶移动最小二乘近似。在更新拉格朗日方法的框架下,通过对控制方程弱形式的线性化建立了内力率的表达式,并区分为材料和几何两部分。采用Hughes-Winget算法更新应力,建立了Newton-Raphson迭代求解所需的一致切线刚度阵。刚度阵的数值积分采用近来针对小变形分析建立的二阶一致三点积分格式QC3(Quadratically Consistent 3-point integration scheme)。数值结果证明了本文方法分析弹塑性大变形问题的有效性和优越性。     

加权残量法在建立多变量有限元模型中的应用

应用加权残量法基本原理,给出建立多变量有限元模型的简明格式和新的列式,讨论了该列式与几种典型多变量有限元模型的对应、退化和等价关系,从而阐明了各类多变量有限元模型之间的内在联系,为各种多变量有限元模型的相互促进与发展提供了有效途径。并探讨了多场变量的选择原则与单元刚度阵秩的关系,文后给出了若干典型算例。     

等直杆单元切线刚度矩阵的精确分析方法

为了有效完成大型铰接单层网壳结构的后屈曲分析,本文采用对杆单元杆端力函数求导的方法推导出了等直杆单元切线刚度矩阵的精确形式。该切线刚度矩阵不受结构小变形限制,适用于结构产生任意大结点位移情况。以六角星桁架、平面圆拱桁架和大跨K8单层网壳结构为算例,采用广义位移控制法进行非线性后屈曲分析,其中预测子采用本文杆单元切线刚度矩阵。算例分析结果表明,本文杆单元切线刚度矩阵在大型铰接单层网壳结构的非线性后屈曲分析中有很强的预测能力。     

一个高精度八结点六面体单元

本文提出一个用于分析弹性空间问题的八结点六面体单元Q_(c11)用等参拟协调元方法,建立了该单元的单元函数显式。Q_(c11)单元具有24个结点参数和9个内部自由度,对长方体单元,其结果与Q_6单元相同,能精确描述纯弯曲,对任意六面体单元能保证通过分片试验。该单元具有构造简单,计算方便,精度高等优点。实际上,这里提供了一种构造非协调等参元单元函数的方法。     

等直杆单元切线刚度矩阵的精确分析方法

为了有效完成大型铰接单层网壳结构的后屈曲分析,本文采用对杆单元杆端力函数求导的方法推导出了等直杆单元切线刚度矩阵的精确形式。该切线刚度矩阵不受结构小变形限制,适用于结构产生任意大结点位移情况。以六角星桁架、平面圆拱桁架和大跨K8单层网壳结构为算例,采用广义位移控制法进行非线性后屈曲分析,其中预测子采用本文杆单元切线刚度矩阵。算例分析结果表明,本文杆单元切线刚度矩阵在大型铰接单层网壳结构的非线性后屈曲分析中有很强的预测能力。     

拟协调等梯形壳元显式几何刚度阵及屈曲分析

采用拟协调元方法推导了等腰梯形薄壳元的显式几何刚度阵，用于组合结构屈曲分析的计算，结果表明，这种单元的几何刚度阵收敛快、精度好。     

拟协调等腰梯形壳元显式几何刚度阵及屈曲分析

采用拟协调元方法推导了等腰梯形薄壳元的显式几何刚度阵，用于组合结构屈曲分析的计算，结果表明，这种单元的几何刚度阵收敛快、精度好。     

悬索大挠度风振响应的有限体积法分析

基于Lagrange原理,建立了一套新的悬索大挠度动力特性和动力响应分析的有限体积法列式,推导了结点力向量、质量矩阵和单元刚度矩阵的显式表达式。该列式的一个显著特点是直接利用工程应变定义结构变形,其物理意义明确,列式简单,适用于各种垂度和荷载情况的悬索大挠度动力分析。实例动力特性和随机风振响应分析表明,该有限体积列式不仅计算效率高,而且具有良好的计算精度。     

可带铰空间梁单元几何非线性分析的随转坐标法

为了降低可带铰空间梁单元切线刚度矩阵的运算量、提高非线性计算精度,本文首先通过建立单元随转坐标系得到扣除刚体位移后结构变形与总位移之间的关系,进而基于场一致性原则导出空间梁单元的几何非线性单元切线刚度矩阵,并在此基础上根据带铰梁端弯矩为零的受力特征得到考虑梁端带铰的单元切线刚度矩阵表达式。该方法利用随转坐标系下除单元轴向相对位移外的其余五个线位移均为零的特点,降低了计算单元切线刚度矩阵所需的相关矩阵阶次,因此减少了运算量。对对角点受拉铰接的方棱形框架进行计算,得出本文结果与解析解的最大误差为0.226%;对45°弯梁和带铰平面结构的空间受力进行计算,得出前者与已有文献提供的解非常接近,误差为0.027%～2.394%,后者与 ANSYS 计算结果的最大误差为1.082%,表明本文算法具有良好的精度。     

弹塑性大变形分析的一致性高阶无单元伽辽金法

采用无单元伽辽金法求解弹塑性大变形问题。充分利用无单元法易于建立高阶近似函数的优点，位移采用二阶移动最小二乘近似。在更新拉格朗日方法的框架下，通过对控制方程弱形式的线性化建立了内力率的表达式，并区分为材料和几何两部分。采用Hughes-Winget算法更新应力，建立了Newton-Raphson迭代求解所需的一致切线刚度阵。刚度阵的数值积分采用近来针对小变形分析建立的二阶一致三点积分格式QC3（Quadratically Consistent 3-point integration scheme）。数值结果证明了本文方法分析弹塑性大变形问题的有效性和优越性。     

厚薄板通用三角形位移元

本文构造出了一种具有九个自由度的厚薄板通用三角形位移单元，并给出了单元刚度矩阵显式。这种单元以其简洁的常规位移元列式可在相当宽的板厚变化范围内（包括板厚为零）获得很高的计算精度，其结果可与相应的矩形单元相比。而且不会出现剪切自锁。     

弹塑性板壳结构非线性有限元分析

本文根据塑性流动理论的基本公式，由隐式积分导出了与路径无关的变量更新算法和一致切线模量。采用单元广义应力应变直接离散塑性流动定律，构造了杂交应力单元一致切线刚度矩阵的显式表达式，编制了结构有限元程序ＳＡＦＥ，数值算例表明：本文的计算方法和计算程序是正确可靠的，可用于弹塑性板壳结构的非线性分析，计算结果屈曲临界载荷和极限承载能力。     

折叠结构几何非线性分析

本文提出了一种推导折叠结构宏单元刚度矩阵的新方法,即在所假设普通单元位移模式的基础上直接引入位移约束条件,得到宏单元的形函数矩阵,进而给出宏单元的力与位移间关系。利用该思路,文中简捷地推导出剪式单元三节点梁大位移小变形的几何非线性切线刚度矩阵,并给出了线性刚度矩阵的显式。算例表明,分析折叠结构承载能力和自稳定结构的展开或收纳过程,考虑几何非线性的影响是必要的。     

求解大柔度梁/绳索的ANCF单元及隐式迭代格式

为模拟大柔度梁/绳索结构的变形和大范围运动,基于绝对节点坐标方法ANCF(Absolute nodal coordi-nate formulation)和HHT(Hilber-Hughes-Taylor)积分方法,建立了ANCF单元的隐式动力学迭代格式.得到了简洁的节点等效力向量,且进一步导出了切线刚度矩阵的全部公式,并基于罚方法实现了对不同ANCF单元的铰接和刚性连接.分别对弦振动、双杆摆和T字摆、柔绳进行了数值模拟,数值结果与理论解及已有结果吻合良好,验证了本文方法的正确性.     

基于ANSYS二次开发的几何非线性平面梁单元

共旋坐标法(C.R法)具有在局部坐标系考虑材料非线性,通过局部坐标系与结构坐标系之间内力和切线刚度矩阵的转换矩阵来考虑几何非线性,从而实现两种非线性脱耦的优点,C.R法相对于其它非线性有限元列式而言较少运用于商业程序。本文利用ANSYS平台提供的单元二次开发工具——用户可编程特性(UPFs),开发了基于C.R法的几何非线性平面梁单元,给出了详细的算法及流程,通过多个算例对本文算法及程序进行了验证。研究表明:该方法能有效利用共旋法非线性单元和ANSYS商业程序的优点,对于方框架在对边中点受一对集中力的算例1,采用二次开发的用户梁单元与beam3梁单元在每个荷载步下收敛所需的迭代次数分别为3次和6次;对于预应力钢筋混凝土悬臂梁发生大变形的算例2,上述两种单元模型进行非线性计算能收敛的预应力加载系数分别为132和128,可知本文基于共旋法得到的ANSYS二次开发用户梁单元提高了非线性计算的效率和能力,可用于平面梁结构的几何非线性分析。