杂交元本征应力模式和应力子空间的性质研究

详细讨论了有限元本征应力模式和应力子空间的性质，并着重讨论和进一步完善了与杂交应力有限元应力子空间有关的一些定理，为提出新方法提供了理论基础，主要包括：（1）证明了杂交元特征值不大于对应位移元的特征值；（2）证明了矩阵H非奇异的充分必要条件是假设应力模式线性无关；（3）证明了杂交元所对应位移元的本征应力模式形成的杂交元与该位移元相同；（4）证明了等价假设应力模式形成相同的杂交元；（5）证明了确定杂交元本征应力模式的充分必要条件是其范数平方等于所形成杂交元的变形模态特征值；（6）证明了杂交元假设应力模式与变形模态的能量一一对应的充分必要条件是假设应力模式彼此正交且与所对应位移元的本征应力模式除了一一对应者之外都正交。     

杂交有限元构造的正交假设应力场方法

分别对各向同性和正交各向异性材料的假设应力场进行正交化并形成相应的杂交元,由于避免了柔度矩阵求逆运算,从而提高了杂交元分析效率。对各向同性材料杂交元直接利用柔度矩阵特征向量导出了正交假设应力场,其正交性不依赖于材料,因而具有更好的适用性。此外由于不需要借助本征变形模式进行迭代而避免了复杂的数值计算。对于正交各向异性材料提出了一种材料矩阵分裂法对假设应力场进行正交化,研究结果表明,所得的正交应力场只与材料两个主方向弹性模量的比值有关,因而不受横向泊松效应的影响。采用本文方法对2D-4节点单元和3D-8节点单元的常用应力场进行正交化,给出了十分简洁的结果。     

杂交元零能模式抑制的改进基本变形模式方法

基本变形模式方法是构造杂交元假设应力场的一种有效方法,但只给出了识别零能模式的必要条件.论文指出基本变形模式方法由于没有考虑耦合影响而存在应用上的局限,在此基础上利用柔度矩阵的正定性给出了判别零能机动模式的充要条件,并且通过内积向量无关性进一步完善了假设杂交元应力场的基本变形模式方法,可以适用于基本变形模式之间耦合的任...     

一种抑制杂交元零能模式的假设应力场方法

基于杂交元位移场直接导出可以表示单元任意变形的简单变形模式,同时指出与所有假设应力模式正交的非零变形为零能机动模式,从而可以用简单变形模式方便地识别和抑制单元零能模式.在此基础上利用初始应力模式与简单变形模式的正交性提出一种假设杂交元应力场的有效方法,结合等函数法应力模式组成初始应力模式,不仅可以根据实际问题需要灵活地假设不同分布规律的应力场,而且所形成杂交元可以完全避免零能机动模式.在数值算例中采用本文方法分别形成了2D-4节点杂交元和3D-8节点杂交元的多种假设应力场,表明本文所提出方法是有效可行的.     

构造满足特征值要求的杂交元应力子空间

通过引进适当参数给出了杂交元应力空间特征值与参数之间的关系,从而可以通过调节参数来构造满足特征值即模态刚度要求的杂交元应力子空间。本在位移元本征应力模式基础上引进调节参数,同时,利用矩阵H对角化方法计算杂交元应力子空间的本征应力模式,然后由此方便有效地计算特征值,从而大大提高了计算效率。本通过建立Q4杂交应力元特征值与参数之间关系说明了这一方法是确定可行的。     

简化杂交应力元H阵的一种方法

本文建议一种简化杂交应力元H阵的方法,可以有效地减少H阵的生成和求逆的计算时间。     

一种高效率弹塑性有限元分析新方法：增量杂交／混合修正弦线模量法

本文在文献[1]给出的放松应力增量平衡约束的修正余能广义变分原理基础上,提出一种高效率的弹塑性有限元分析的新方法——增量杂交/混合修正弦线模量法。该法保持了文[1]方法的全部优点,而在迭代过程中,依据材料的单向拉伸应力—应变关系,不断改变过渡区和塑性区单元柔度矩阵和塑性矩阵中的弹性模量;并在体积压缩模量不变假设下,相应地改变过渡区单元矩阵中的泊松系数。从而大大降低了迭代收敛次数和单刚计算量,提高了多类变量弹塑性有限元分析的计算效率和收敛精度。     

适用于壳体h型自适应有限元分析的一组新单元

推导出一组适用于h型自适应分析的四边形蜕化壳元。对于大多数壳体结构,壳单元的刚度矩阵可分为薄膜、弯曲和剪切三部分。对薄膜部分本文采用杂交应力元方法进行设计,独立假设薄膜应力场以改善其精度;弯曲部分的刚度矩阵则依然由基于位移的应变来获得;而剪切部分则采用假设自然应变的方法来获得能克服薄壳下剪切自锁的新剪应变并用于计算此部...     

两个相等圆孔板弯曲时的三维应力集中

根据Hellinger-Reissner原理建立了具有一个无外力圆柱表面的三维八节点杂交应力元,其假设应力场严格满足柱坐标下三维平衡方程及圆柱面上无外力边界条件;当元退化为二维时也满足协调方程。数值算例表明,这种特殊杂交应力元可高效地分析具有两个圆孔薄板和厚板的应力集中,特别是三维应力集中。     

变宽度板在拉伸和弯曲作用下的三维应力集中

根据一种修正的余能原理，建立了具有一个无外力圆柱面的三维杂交应力元，元内假定应力场满足三维柱坐标表示的平衡方程及无外力圆柱面上的外力边界条件；当元退化为二维时，也满足协调条件。单元位移场选择与相邻单元协调。数值算例表明这种特殊杂交应力元在相当粗的网格下，能十分有效地分析变宽度薄／厚板在拉伸与弯曲作用下的三维(及二维)应力集中。     

THE STRESS SUBSPACE OF HYBRID STRESS ELEMENT AND THE DIAGONALIZATION METHOD FOR FLEXIBILITY MATRIX H

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ,ｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｅｌｅｍｅｎｔｓａｒｅｖｅｒｙｐｏｐｕｌａｒｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｒｅａｓｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ .Ｈｏｗｅｖｅｒ,ｉｔｉｓｖｅｒｙｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏａｓｓｕｍｅｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｉｅｌｄｆｏｒｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙｓｈｅｌｌｅｌｅｍｅｎｔｓｔｈａｔｉｓｆｒｅｅｆｒｏｍｓｈｅａｒｌｏｃｋｉｎｇ .Ｉｎ 1 964 ,ｔｈｅｈｙｂｒｉｄｓｔｒｅｓｓｅｌｅｍｅｎｔｗ…     

The stress subspace of hybrid stress element and the diagonalization method for flexibility matrixH

The following is proved: 1) The linear independence of assumed stress modes is the necessary and sufficient condition for the nonsingular flexibility matrix;2. ) The equivalent assumed stress modes lead to the identical hybrid element The Hilbert stress subspace of the assumed stress modes is established So, it is easy to derive the equivalent orthogonal normal stress modes by Schmidt’s method Because of the resulting diagonal flexibility matrix, the identical hybrid element is free from the complex matrix inversion so that the hybrid efficiency is improved greatly The numerical examples show that the method is effective.     

Orthogonal basic deformation mode method for zero-energy mode suppression of hybrid stress elements

A set of basic deformation modes for hybrid stress finite elements are directly derived from the element displacement field. Subsequently, by employing the so-called united orthogonal conditions, a new orthogonalization method is proposed. The resulting orthogonal basic deformation modes exhibit simple and clear physical meanings. In addition, they do not involve any material parameters, and thus can be efficiently used to examine the element performance and serve as a unified tool to assess different hybrid elements. Thereafter, a convenient approach for the identification of spurious zero-energy modes is presented using the positive definiteness property of a flexibility matrix. Moreover, based on the orthogonality relationship between the given initial stress modes and the orthogonal basic deformation modes, an alternative method of assumed stress modes to formulate a hybrid element free of spurious modes is discussed. It is found that the orthogonality of the basic deformation modes is the sufficient and necessary condition for the suppression of spurious zero-energy modes. Numerical examples of 2D 4-node quadrilateral elements and 3D 8-node hexahedral elements are illustrated in detail to demonstrate the efficiency of the proposed orthogonal basic deformation mode method.     

DEFORMATION RIGIDITY OF ASSUMED STRESS MODES IN HYBRID ELEMENTS

The new methods to determine the zero-energy deformation modes in the hybrid elements and the zero-energy stress modes in their assumed stress fields are presented by the natural deformation modes of the elements. And the formula of the additional element deformation rigidity due to additional mode into the assumed stress field is derived. Based on, it is concluded in theory that the zero-energy stress mode cannot suppress the zero-energy deformation modes but increase the extra rigidity to the nonzero-energy deformation modes of the element instead. So they should not be employed to assume the stress field. In addition, the parasitic stress modes will produce the spurious parasitic energy and result the element behaving over rigidity. Thus, they should not be used into the assumed stress field even though they can suppress the zero-energy deformation modes of the element. The numerical examples show the performance of the elements including the zero-energy stress modes or the parasitic stress modes.     

含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元

基于含椭圆核有限大各向异性板弹性问题的复变函数级数解,应用杂交变分原理建立了一种与常规有限元相协调的含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元.单元内的应力场和位移场采用满足平衡方程、几何方程与物理方程的复变函数级数解,假设的复变函数级数解精确满足椭圆核边界处的位移协调条件和应力连续条件,单元外边界上的位移场按常规有限元位移场假设,单元内椭圆核的长轴可以与材料主轴不重合.单元刚度矩阵采用Gauss积分求得,并给出了建立刚度矩阵的主要公式和推倒过程.数值计算结果表明该单元具有计算精度高、计算工作量小等优点.     

动态载荷下功能梯度复合材料的圆币形裂纹问题

研究了动态载荷下功能梯度材料中的圆币形裂纹问题．假设材料为横观各向同性,并且含有多个垂直于厚度方向的裂纹,材料参数沿轴向（与裂纹面垂直的方向）为变化的,沿该方向将材料划分为许多单层,各单层材料参数为常数,利用Hankel变换祛,在Laplace域内推导出了控制问题的对偶积分方程组．利用Laplace数值反演,得出了裂纹尖端的动态应力强度因子和能量释放率．研究了含两个裂纹的功能梯度接头结构,分析了材料非均匀性参数对应力强度因子和能量释放率的影响．