有限单元节点位移约束与释放

1.引言 在用有限单元法解某些弹性力学问题时,常常需要对域内节点之间的相对位移施加约束条件。例如二维八节点四边形等参元广泛用于断裂力学问题,用坍塌(Collapsed)三角形四分之一节点奇异元计算裂纹应力强度因子。但是,应该指出,这个单元的奇异性依赖于坍     

有限元法中的过渡单元

1.引言用有限元法计算线弹性平面裂纹的应力强度因子时,往往在裂纹尖端采用奇应变圆单元或奇异性蜕化三角单元.因为这种奇异单元取得很小,为了防止所取的奇异应变的范围小于实际应有的范围,所以Lynn等人提出了所谓“过渡单元”.这就是在奇异单元周围布置一些8节点四边形等参数单元,并将其径向边中点作适当地偏离,从而使其单元中的应变也具有了r~(-1/2)专的项.这样一来,过渡单元弥补了由于人为地缩小奇异单元而造成的奇异应变范围太小的缺点.但是,Hussain等人进而证明了在这种过渡单元中,其应变除了有r~(-1/2)项外,还具有更强的r~(-1/2)项的奇异性,而     

A GENERAL ALGORITHM FOR CALCULATING NEARLY SINGULAR INTEGRALS OVER HIGH-ORDER ELEMENTS IN 3D BEM

三维边界元分析中,高阶几何单元上的几乎奇异积分计算是一个重要而且困难的问题,该文对此进行了研究。使用8节点四边形和6节点三角形曲面单元来描述几何边界;构造了新的距离函数;拓展原有的指数函数非线性变换到三维边界元法中,利用拓展的变换来消除被积函数的几乎奇异性。数值算例表明,该算法稳定,效率高,即使计算点到实际边界的距离很小,依然可获得令人满意的数值解。     

应力强度因子分析的三角形Williams单元

弹性断裂分析的Williams广义参数单元计算模型中忽略了紧邻裂尖的微区域,为了进一步完善该计算模型,本文提出并建立了三角形Williams单元。首先围绕裂尖将奇异区均匀分割为有限个三角形单元,利用改进的Williams级数建立该单元的整体位移场计算模型;其次沿径向将该三角形单元进一步离散为多个相似四边形微单元和裂尖三角形微单元,并利用经典有限元理论建立微单元的局部位移场计算模型;然后利用整体位移场控制各微单元结点位移,并在此基础上研究建立裂尖奇异区三角形Williams单元及其控制方程。该单元模型中含有与裂尖应力强度因子相关的参数,能够直接计算裂尖处的应力强度因子。最后结合算例详细分析了三角形Williams单元计算模型中径向离散因子、离散数、Williams级数项对计算结果的影响。算例分析表明,三角形Williams单元所得的应力强度因子具有对奇异区尺寸不敏感的优点,且收敛快,计算精度高。     

多参量断裂力学广义杂交/混合裂纹有限元法

通过研究广为人知的断裂力学单变量八节点位移裂纹QPE元和Akin族奇异单元法，本文运用经典局部裂纹解析解，与非协调假设应力杂交-混合元列式方法相结合，提出用于分层各向异性材料的多变量半解析假设应力奇异广义杂交／混合裂纹有限元法，能克服现有位移裂纹元法的域应力分布精度低和高次单元所需计算容量大的局限性，互为补充，更有利于结构裂纹扩展分析和应用研究。文中设计了一个半解析奇异裂纹平面单元，各向同性材料板算例验证了退化二次八节点协调位移裂纹元及六节点非协调奇异应力裂纹元，说明采用稀疏及加密单元网格，两类裂纹单元分别从上下逼近收敛于实验和理论参考解，可得到吻合程度较好的1／√r奇异应变和应力分量以及应力强度因子值，表明了本文奇异裂纹单元理论的优越性。     

扩展有限元裂尖场精度研究

论述了扩展有限元方法和基本原理,研究了单元类型(四边形单元和三角形单元、线性单元和二次单元)、网格密度、J积分区域半径等因素对裂尖局部应力场(应力强度因子)计算精度的影响。研究发现,上述因素对裂尖应力强度因子计算的收敛速度与稳定性影响不大,证实了XFEM可以用较少的节点获得较高的裂尖场精度,并提出了通过固定裂尖附加区半径可以进一步改善XFEM的收敛速度。     

计算应力强度因子的奇异等参单元

用有限单元法计算裂纹顶端应力强度因子,来反映顶端应力的奇异性,导致于裂纹顶端特殊单元的应用发展很快。当反映裂纹顶端应力奇异性的奇异元与外围普通元混合运用时,奇异元有一最佳尺寸。对于不同的问题,最佳的单元尺寸也不同,这就是说,裂纹顶端单元的尺寸对计算结果有明显影响。如果裂纹顶端单元太大则计算误差大;如     

在裂纹尖端引入位移协调奇异单元的有限单元法

本文提出了一种新的奇异单元,它是一个中心设在裂纹尖端的正多边形,划分成围绕着缝端的若干个三角形。在三角形中,取位移模式为线性位移和含有应力强度因子的奇异项位移两部分之和。在奇异单元的周向边界上,奇异项位移为零,因此位移的连续性得到保证。而且奇异单元刚度矩阵中的各元素可以用较简单的分析式表出。本文给出了这种方法的分析和推导过程,并用此法计算了简单拉伸、三点弯曲和剪切情况下的应力强度因子。计算结果表明这是一种有效的方法。     

奇异性法预测粘接厚度对单搭粘接接头失效的影响

通过应力奇异性模型预测了铝5052-铝5052单搭粘接接头初始失效位置的受力情况.与Bogy理论公式相比,应力奇异性有限元模型不但可以很好的确定奇异应力场的形状(应力奇异性指数),且还可以确定奇异应力场的大小(应力强度因子),实现了对单搭粘接接头强度的准确分析和预测.研究结果表明:粘接剂厚度的变化不会影响奇异点应力奇异性指数,但会影响该处应力强度因子,应力强度因子随着粘接剂厚度的增加而增大,应力强度因子越大,粘接界面强度越低,该变化趋势与试验结果相吻合.     

空心车轴不同深度表面裂纹应力强度因子研究

分析了空心车轴的旋转弯曲载荷的特点,建立了空心轴表面周向半椭圆裂纹的模型,给出了半椭圆裂纹的构形参数定义,即形状比、深度比和裂纹前缘相对位置。采用四分之一20节点等参退化奇异单元,通过有限元计算,模拟裂纹前沿的应力奇异性。在此基础上,计算了裂纹前缘表面点和中心点的应力强度因子随着裂纹扩展深度和旋转角度的变化。计算结果表明,对于给定的裂纹构形,在车轴的一个载荷循环中,裂纹前缘同一相对位置的应力强度因子是不断变化的,不同位置的应力强度因子在达到最大值的角度也是不同的,这就导致了裂纹前缘表面点在一些角度下的扩展是不对称的。这些结果为进一步研究空心轴表面裂纹的扩展路径和寿命提供了参考。     

等参奇性元在双孔边裂纹平板分析中的应用及其计算精度研究

本文用八节点等参数单元及其相应的奇性元,对两种双孔边裂纹平板的应力强度因子进行了计算。文中首先导出了平面复合型裂纹问题应力强度因子K_1、K_Ⅱ与等参奇性元节点位移间的关系式,作为用等参单元法推算应力强度因子的依据;然后,以单边裂纹板条为数值例子,对于等参奇性元尺寸的选择、裂纹段单元的配置以各种推算应力强度因子的方法与计算精度之间的关系进行了研究;最后,按一定精度的要求选择等参奇性元尺寸和裂纹段单元配置数,并以三种推算方法计算了两种双孔边裂纹平板的应力强度因子值。     

裂纹尖端“加料”奇异单元周围的过渡等参单元研究

对平面裂纹问题的裂尖"加料"奇异单元周围的过渡等参单元进行研究.为了解决奇异单元与常规单元间的不协调问题,在三角形"加料"奇异单元的基础上,提出了三角形和四边形两种过渡等参单元方案,分别以I、II型裂纹问题为例,考察了各种方案下过渡单元对应力强度因子精度的影响以及不同类型过渡单元的优劣,得到了一些有益的结论.     

12结点三维等参奇异单元的构造和应用

通过改变三维8结点六面体等参单元的结点位置、结点数目和形函数,构造了一种12结点三维等参奇异单元,该单元的应力场具有1/(√r)奇异性,可以模拟裂缝前沿的奇异应力场;该单元的位移模式在其中两个坐标方向是线性变化的,因此,该单元与线性单元连接时不需要过渡单元,仍能保证交界面位移协调,克服了20结点三维等参奇异单元不能与线性单元协调连接的缺陷;文章最后将该奇异单元布置在裂缝前沿,应用有限元法计算了三点弯曲梁预制裂缝前沿的应力强度因子,该结果与规范公式计算值基本一致.     

基于面积坐标与B网方法的四边形样条单元

传统等参元方法中, S型等参元完备阶较低,对网格畸变敏感, L型等参元具有高阶完备性但需要使用内部节点. 另外,由于引入等参变换, 采用数值积分可能导致总刚度矩阵出现奇异性.利用三角形面积坐标与B网方法建立了一类平面四边形的样条单元函数,它们的特点是满足协调条件, 克服网格畸变敏感性.其中8节点和12节点单元分别为2次和3次样条函数,对直角坐标分别具有二阶和三阶完备性, 高于相同节点的S型等参元.通过算例测试了这些样条单元, 并与等参元和其它四边形单元比较,数值结果显示了它们的高精度和有效性.      

压力容器接管应力准三维有限元法分析

接管是压力容器结构中形状、受力状态均较复杂的部位之一。为研究其应力分布情况,本文采用了接管平板连接模型,用一种应变在其横截面上呈线性变化的非轴对称分布的六节点三角形环状单元和非线性位移模式,将这种三维问题简化为准三维问题。根据有限元半解析方法,我们推演了这种单元的计算格式,编制了相应的计算机程序,并计算了某反应堆压力容器接管的全部位移和应力分布。     

基于球面细分法的高效高精度近奇异积分计算

精确高效地计算近奇异积分,对边界元法的成功实施至关重要,也是边界元法在实际工程计算中面临的主要障碍之一。论文提出了一种基于球面细分技术的近奇异积分计算方法,可以精确计算任意基本解类型、任意单元形状和任意源点位置的近奇异积分。该方法首先通过计算源点到单元的最近最远距离,来确定球面细分的初始半径和终止半径;然后通过一系列半径呈指数级增长的球面来分割积分单元,得到一系列三角形和四边形子单元;最后把细分后得到的子单元变成弧形状,即三角形和四边形子单元分别变成扇形和环形子单元。由于球面细分是直接在三维笛卡尔坐标系下进行的,所以它适用于任何类型的单元。此外,由于基本解主要是源点到场点距离的函数,因此在同等精度下,近奇异积分在子单元的环向上所需要的高斯积分点数将大大减少。在径向方向上,由于球半径系列呈指数级变化,各个子块可以做到等精度高斯积分。数值算例表明,与传统近奇异积分计算方法相比,论文提出的方法更加稳定,精度更高。     

正交各向异性平面断裂问题应力强度因子的边界元解法

本文研究单向复合材料或正交各向异性体平面断裂问题,构造了一个1/4节点混合参数应力奇异边界元,综合运用该元素与1/4节点等参边界元,提出了求解应力强度因子的混合边界元解法,用所述方法计算了含中心裂纹无限大与有限大正交各向异性板的应力强度因子,算例表明,本文所述方法不仅计算精度高,而且适应性强,便于工程应用。     

拟协调奇异元

本文应用等参拟协调元的方法,在Stern提出的协调奇异元的基础上,通过增加内部自由度,分别构造了二维和三维的拟协调奇异元,进一步证明了这种单元通过分片试验,对几种典型的二维和三维裂纹问题给出拟协调奇异元计算的应力强度因子的结果,与现有的其它类型的奇异元的结果比较,这种新型单元能够显著提高计算精度。     

双材料自由边界面端部问题的数值分析

对各向异性双材料自由边界面端部奇异性场问题进行了研究,利用有限元分析法所得到的各向异性双材料自由边界面端部的应力奇异性指数以及角分布函数,构造了一个自由边界面端部单元,据此建立了自由边界面端部奇异性场的杂交应力模型,并结合Hellinger-Reissner变分原理导出应力杂交元方程,建立了求解平面各向异性材料裂纹尖端问题的杂交元计算模型.与四节点单元相结合,提出一种求解自由边界面端部广义应力强度因子的杂交元法.考核例结果表明:本文方法的数值解精度高,可应用于各向异性材料双材料自由边界面端部问题.     

三角形等参奇异元

1.三角形奇异元的构造二维八节点四边形等参元的坐标变换式为: 位移插值函数为: ...