有限元表面应力计算

用有限元[1]通用程序进行结构计算时,最常用的是位移法,因而计算得到的位移有较高的精度。由位移计算应力时,有限元法应用的是应力-应变关系和应变-位移关系,其中应变-位移是微商关系。在数值计算中,微商只能转化为差商等用插值近似处理。这样,虽然位移精度高,但应力的计算精度就被大打折扣。本文应用弹性力学辛体系理论[2],解析求解了位移和应力的影响函数。利用有限元程序计算得到的位移,由功互等定理,不需要微分插值,就可以得到指定点的应力,应力精度大大提高。工程实际中有许多问题的最大应力往往发生在构件表面。针对表面应力问题,本文给出了半平面表面应力的影响函数,进行了数值算例计算。计算结果表明,用本文提出的影响函数法求解一点的应力,其精度明显提高,并且计算结果有很好的稳定性。用本文的影响函数法编制成子程序,可作为有限元软件应力计算的一个模块,可以更好地发挥有限元程序的功效。     

基于辛弹性力学解析本征函数的有限元应力磨平方法

在实际工程结构的结构强度与优化等力学数值分析中,应力计算结果的精度是非常重要的。有限元法是得到最广泛应用的一类数值方法,并形成了众多通用的有限元程序系统。这些程序系统采用的几乎都是基于最小总势能的位移法,虽然其分析给出的有限元位移场具有较高的精度,但所得到的有限元应力场的精度较位移场大大降低。基于极坐标辛对偶体系所提供的平面弹性力学的解析辛本征展开解,并借用有限元程序系统所得到的节点位移,本文提出了一个应力分析的改进方法。数值结果表明,本方法给出的应力分析精度得到大幅提高,并具有良好的数值稳定性,可用于有限元程序系统的后处理,以提高应力尤其是关键区域应力的分析精度。     

直接计算应力强度因子的扩展有限元法

系统地给出了直接计算应力强度因子的扩展有限元法。该方法以常规有限元法为基础,利用单位分解法思想,通过在近似位移表达式中增加能够反映裂纹面的不连续函数及反映裂尖局部特性的裂尖渐进位移场函数,间接体现裂纹面的存在,从而无需使裂纹面与有限元网格一致,无需在裂尖布置高密度网格,也不需要后处理就可以直接计算出应力强度因子,并且大大简化了前后处理工作。最后通过两个简单算例验证了该方法的精度,分析了影响计算结果的因素,并与采用J积分计算的应力强度因子作了对比,得出了两种方法计算精度相当的结论。     

Q235钢缺口试样拉压低循环疲劳的实验研究

以Q235钢制U型缺口板试样为研究对象,用有限元方法计算其缺口根部等效应变幅对应的试样标距段位移,以此控制试验机进行拉压循环疲劳试验。然后用局部应力应变法对试验测得的寿命结果进行分析。结果表明：无论用有限元还是修正Neuber公式计算缺口根部的应力应变,局部应力应变法的疲劳寿命评估只适用于缺口半径较大的试样;对缺口半径较小试样的估计寿命明显低于实测值,且有限元法比修正Neuber法更保守。进而又对试样缺口区域应变梯度的影响进行了探讨：参照有限元计算的应变梯度,利用Taylor模型估算了缺口根部的屈服应力和流动应力;在此基础上重新计算应变分布并估计试样的疲劳寿命,结果证实考虑应变梯度影响可改善缺口试样的疲劳寿命估计。     

结构动态应力计算方法研究

复杂结构动态应力的准确计算是一个没有圆满解决的问题。本文以最小余能原理为基础，提出了计算结构动态应力的最小伤痛有法。该方法采用二次分析思想，首先采用常规有限元对结构进行适当离散，计算输出结构所需应力区域的有限元结点位移和加速度动力时程反应，再应用最小余能法计算所求部位的动态应力值。这种方法的优点是它可以与现有的有限元程序有机结合，方便使用；动应力在区域内的分布规律可以由计算者根据具体情况而确定，一般情况下，可以选用二次曲线来逼近动应力在区域内的实际分布，避免了常规有限元法计算结构动应力时必须对单元形函数求导的做法，从而提高了动应力计算精度。计算结果表明：本文方法计算结构动态应力结果较常规有限元法的计算结果有明显改进，特别是当结构变化剧烈时，改进效果更为明显。     

结构分析中的刚体有限元法

本文给出了KAWAI教授的RBSM(刚体-弹簧模型)的数学解释。传统的以位移法为基础的有限元数值解中,其应力精度低于位移精度,而这里的刚体有限元法(RBFEM)给出的应力精度不会低于甚至高于位移精度,此外,RBFEM大大地减小了总刚的半带宽及体积,因而大幅度地降低了计算量。本文用刚体有限元法进行了静力分析、热应力分析、极限分析和安定分析,得到了相当满意的结果。刚体有限元法以其缩减的计算量及提高的应力精度,可以有利于结构分析,特别是非线性问题的数值解。     

非均质材料动力分析的广义多尺度有限元法

自然界和工程中的大部分材料都具有多尺度特征,当考察尺度小到一定程度后,都将表现出非均质性.针对非均质材料的动力问题,提出了一种广义多尺度有限元方法,其基本思想是利用静态凝聚法以及罚函数法构造能够反映单元内部材料非均质特性的多尺度位移基函数.与传统扩展多尺度有限元法中的基函数构造方式不同,广义多尺度有限元法的基函数无需通过在子网格域上多次求解椭圆问题得到,而可直接通过矩阵运算获得.其主要步骤如下:利用数值基函数将一个非均质单胞等效为一个宏观单元,进而形成整个结构的等效刚度矩阵,并得到宏观网格的节点位移,最后再次利用数值基函数得到微观尺度上的位移结果.该广义多尺度有限元法是扩展多尺度有限元法的一种新的拓展,可模拟具有更加复杂几何的非均质单胞的力学行为.通过数值算例,模拟了非均质材料的静力问题、广义特征值问题以及瞬态响应问题,计算结果表明:在边界条件一样的情况下,广义多尺度有限元法的计算结果与传统有限元的计算结果保持高度一致.与传统有限元相比,该方法在保证计算精度的同时极大地提高了计算效率.研究结果表明,广义多尺度有限元法能够很好地模拟非均质单胞的力学行为,具有良好的工程应用潜力.      

基于扩展有限元的应力强度因子的位移外推法

针对平面裂纹问题,阐述了扩展有限元法的单元位移模式、推导了扩展有限元法的控制方程、介绍了特殊单元的数值积分技术.基于最小二乘法,建立了应力强度因子位移外推法的计算公式.利用MATLAB编写计算程序,对平面裂纹问题用扩展有限元法进行了计算.基于扩展有限元法的计算结果,分别利用位移外推法和相互作用积分法,对平面裂纹的应力强度因子进行了计算.计算结果表明,位移外推法比相互作用积分法能更方便和准确地计算平面裂纹的应力强度因子.     

基于p型有限元法和围线积分法计算复合型应力强度因子

传统有限元法由于采用低阶插值计算应力强度因子时,需要划分的网格数较多,收敛速度较慢,得到的应力强度因子精度不足。p型有限元法在网格确定时通过增加插值多项式的阶数来提高计算精度,具有网格划分少、收敛速度快、精度高、自适应能力强等特点。本文采用基于p型有限元法的有限元计算软件StressCheck计算得到应力场和位移场,并由围线积分法导出混合型应力强度因子(SIFs)。通过几个经典算例,分析了围线的选择对计算精度的影响,计算了不同裂纹长度、不同裂纹角度和裂纹在应力集中区域不同位置时的应力强度因子。并将数值结果、理论解与文献中其他数值计算方法所得的部分结果进行了对比分析,结果表明自由度数不大于7000时,导出的应力强度因子相对误差最大不超过1.2%,数值解表现出较高的精度及数值稳定性。     

基于修正高精度广义胞元法的复合材料细观力学分析

高精度广义胞元法是多尺度分析复合材料模量和微观应力应变场的有效方法之一．然而，由于位移插值函数中缺少二次耦合项，很大程度上影响了复合材料局部应力、应变场，特别是剪切场的计算精度．本文通过引入二次方向耦合项，提出了一种修正的高精度广义胞元法插值函数．在施加周期性边界条件、平均应力和平均位移连续性条件后，可以确定位移插值函数中的系数．通过对多相复合材料弹性模量和局部场分析，并且与有限元分析和实验测量结果比较，验证了修正高精度广义胞元法的准确性．与高精度广义胞元相比，本文提出的修正高精度广义胞元法在不需要引入额外未知变量，不影响计算效率的前提下，对复合材料的局部应力场计算得更加准确．     

弹性力学问题的一阶有限元解法

求解弹性力学问题的应力时,如果采用常规的位移有限元法,需要先求得单元的节点位移,再经过求导运算得到。为了解决这种求解方式引起的应力精度下降的问题,提出了弹性力学问题的一阶多变量形式,使得应力与位移精度同阶,并推导了弱形式。采用有限元方法,对弹性力学问题给出了一阶解法的二维、三维数值算例,并且将一阶解法的结果与常规位移有限元法的解进行了比较。数值计算结果表明,一阶解法有效提高了应力的精度,并且应力的误差和节点位移的误差具有相同的收敛阶,验证了本文方法的有效性,为提高有限元法的应力精度提供了新的思路。     

含直对称裂纹的一维六方压电准晶对SH波的散射Scattering of SH wave by a linear symmetric crack at one-dimensional piezoelectric hexagonal quasicrystals

利用积分变换技术,结合Copson方法,研究了含直线型对称裂纹的一维六方压电准晶对SH波的散射问题。通过求解对偶积分方程,得到声子场、相位子场应力、位移及电场电位移分量的解析解。定义了裂纹尖端应力强度因子及电位移强度因子,给出了电非渗透性条件下应力强度因子及电位移强度因子的解析解。此研究结果对压电准晶材料的工程应用有一定的理论价值。     

Interactions of multiple parallel symmetric permeable mode-III cracks in a piezoelectric material plane

In this paper, the interactions of multiple parallel symmetric and permeable finite length cracks in a piezoelectric material plane subjected to anti-plane shear stress loading were studied by the Schmidt method. The problem was formulated through Fourier transform into dual integral equations, in which the unknown variables are the jumps of displacements across the crack surfaces. To solve the dual integral equations, the jumps of displacements across the crack surfaces were directly expanded as a series of Jacobi polynomials. Finally, the relation between the electric field and the stress field near the crack tips was obtained. The results show that the stress and the electric displacement intensity factors at the crack tips depend on the lengths and spacing of the cracks. It is also revealed that the crack shielding effect presents in piezoelectric materials.     

正交各向异性复合井壁应力变形分析与应用

推出了正交各向异性多层复合井壁的应力、位移计算公式,分析了双层混凝 土中间夹泡沫塑料板的复合井壁的应力、变形规律. 发现当井壁环向弹性模 量小于径向弹性模量时,内壁最大剪应力和径向位移会随着环向模量的减小 而显著增大,若仍按各向同性设计,将可能出现病态井壁. 通过工程应用和现场测 试综合分析验证了上述结论,并提出了多层复合井壁破裂的新依据.     

A simple method for measuring surface strains around cracks

A simple system has been developed to measure surface strains that occur during in situ deformation of mechanical test specimens. The system uses photolithographically deposited displacement markers and computer image recognition routines to determine in-plane displacements and strains from digital images. The strain calculating routines are integrated into a simple mouse-driven software package that facilitates the transformation from digital images to useful strain field information. Additional routines have been developed to determine crack tip stress fields and J integrals. Crack tip stress intensities have been calculated from strain maps obtained for traction-free cracks in stainless steel. The J integrals were found to be independent of contour and consistent with applied stress intensities. Crack tip stress intensities were calculated for bridged cracks in lamellar TiAl. The toughening effect of the bridging zones was determined by including the bridged region in the contours. Resistance curves generated from strain maps were consistent with those measured during mechanical testing.     

Hybrid Equilibrium Finite Elements for Wave Diffraction Problems

Hybrid equilibrium finite elements based on the direct approximation of the domain stress and boundary displacement fields are presented. The structure is divided into a far field, which is considered as an infinite super element, and a near field, which is in turn discretized into finite elements. The displacements in the domains of typical finite elements are obtained from the assumed domain stress field by using the dynamic equilibrium equations. The Helmholtz equation is satisfied in the domain of the infinite super element, and the domain stress fields are associated with elastic and compatible displacements. The resulting governing system is symmetric, sparse, and, if well done, positive. Numerical applications are presented to illustrate the performance of the formulation     

The dynamic behavior of two collinear interface cracks in magneto-electro-elastic materials

In this paper, the dynamic behavior of two collinear symmetric interface cracks between two dissimilar magneto-electro-elastic material half planes under the harmonic anti-plane shear waves loading is investigated by Schmidt method. By using the Fourier transform, the problem can be solved with a set of triple integral equations in which the unknown variable is the jump of the displacements across the crack surfaces. To solve the triple integral equations, the jump of the displacements across the crack surface is expanded in a series of Jacobi polynomials. Numerical solutions of the stress intensity factor, the electric displacement intensity factor and the magnetic flux intensity factor are given. The relations among the electric filed, the magnetic flux field and the stress field are obtained.     

Elasticity solution of clamped-simply supported beams with variable thickness

This paper studies the stress and displacement distributions of continuously varying thickness beams with one end clamped and the other end simply supported under static loads. By introducing the unit pulse functions and Dirac functions, the clamped edge can be made equivalent to the simply supported one by adding the unknown horizontal reactions. According to the governing equations of the plane stress problem, the general expressions of displacements, which satisfy the governing differefitial equations and the boundary conditions attwo ends of the beam, can be deduced. The unknown coefficients in the general expressions are then determined by using Fourier sinusoidal series expansion along the upper and lower boundaries of the beams and using the condition of zero displacements at the clamped edge. The solution obtained has excellent convergence properties. Comparing the numerical results to those obtained from the commercial software ANSYS, excellent accuracy of the present method is demonstrated.