A finite element model for numerical simulation of thermo-mechanical frictional contact problems

Two kinds of variational principles for numerical simulation of heat transfer and contact analysis are respectively presented. A finite element model for numerical simulation of the thermal contact problems is developed with a pressure dependent heat transfer constitutive model across the contact surface. The numerical algorithm for the finite element analysis of the thermomechanical contact problems is thus developed. Numerical examples are computed and the results demonstrate the validity of the model and algorithm developed. The project supported by the National Key Basic Research Special Foundation (G1999032805), the National Natural Science Foundation of China (50178016, 10225212) and the Foundation for University Key Teacher by the Ministry of Education of China     

裂纹问题的一致性高阶无网格法

一致性高阶无网格法能高效精确地求解连续体问题,尤其是能得到高精度的应力场。本文将该方法拓展到应力解析精度至关重要的裂纹问题(即非连续体问题)的数值分析。采用背景积分网格描述裂纹几何,基于无需增加节点额外自由度的虚拟节点法描述裂纹处位移场的间断,提出了虚拟节点的引入算法和断裂单元的数值积分方法。为进一步模拟裂纹扩展,采用相互作用积分方法计算应力强度因子,裂纹的扩展方向由最大周向应力准则确定。数值结果表明,本文发展方法能够精确地通过间断分片试验;相较于标准的高阶无网格法和低阶一致性无网格法,本文的一致性高阶无网格法显著改善了应力强度因子的计算精度,能够准确预测裂纹扩展路径。     

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。     

稳态热传导的二阶一致无网格法

将具二阶一致性的3点积分方法（quadratically consistent 3-point integration method,QC3）拓展到稳态热传导问题的无网格法分析中．数值结果表明,与标准三角形积分方法以及已存在的仅满足线性一致性的1点积分方法相比,所建议的QC3方法不仅能精确地通过二阶分片试验,而且在精度、收敛性以及计算效率等方面都表现出显著优势．     

二阶一致无网格与有限元耦合离散研究

为准确方便地施加本质边界条件,在连续掺混法（Continuous Blending Method, CBM）的框架下,通过增加一个边中节点,发展了采用二阶基底的无网格与二阶有限元的耦合离散方法。Galerkin弱形式的数值积分采用具二阶一致性的3点积分方法（Quadratically Consistent 3-point integration method,QC3）。与原本在QC3中采用的Nitsche法相比,所发展的耦合离散方法可像有限元法一样简单高效地施加本质边界条件,不向弱形式中引入额外项,也不依赖于任何人工参数。而且,数值结果还表明,QC3的计算精度也得到进一步提高。     

基于Cosserat近场动力学的纤维混凝土破坏模拟

本文基于Cosserat近场动力学发展了一种纤维混凝土的近场动力学模型,对纤维混凝土的破坏现象进行研究。该模型考察了物质点独立的转动自由度和物质点间的力偶作用,而且有表征微结构尺寸的内禀长度,相比于传统的近场动力学模型,更适合描述纤维混凝土这类胶结颗粒材料的力学行为。本文采用完全离散的方式对纤维进行建模,引入了纤维拔出实验中拔出位移和切应力的关系,并且采用组构张量描述纤维的局部分布。数值算例部分模拟了单纤维拔出实验、带预制裂纹的平板拉伸实验和三点弯曲梁实验。数值结果和已有的数值模型以及实验进行了对比,验证了所提出模型的正确性。此外,本文还调查了微结构对纤维混凝土破坏的影响,数值结果显示Cosserat剪切模量和内禀长度会影响裂纹的局部分布,但是不会改变裂纹的主方向。     

不可压缩Stokes流动的PSPG无网格法

将应用于有限元法的Pressure-Stabilizing/Petrov-Galerkin(PSPG)稳定化机制引入到无网格法中,有效消除了由于速度和压力的插值模式违反LBB条件而导致的压力场的虚假振荡。采用与有限元法耦合的连续掺混法(Continuous Blending Method)施加本质边界条件,使得边界条件不仅在边界节点上而且在整条边界上都得到严格满足。给出了两个典型算例的数值模拟结果,表明了所建议无网格法模拟不可压缩Stokes流动的有效性。     

冰区航行中船舶结构冰载荷的现场测量与反演方法研究进展

冰载荷是影响极地船舶航行安全的重要环境因素,而对船舶结构的现场监测是获取冰载荷的可靠途径.鉴于船-冰相互作用的复杂性, 目前还难以直接测量冰载荷,一般通过结构应变、六自由度运动参数等船舶结构局部或总体响应的测量数据间接反演冰载荷.根据冰载荷的作用范围,本文将船舶结构冰载荷现场监测划分为局部冰载荷现场监测与总体冰载荷现场监测两大类.对国内外18艘极地船舶冰载荷现场测量试验的开展时间、试验海域、测量方案等信息进行了系统的总结和分析.从基本原理、适用范围、应用现状和发展前景等方面全面地介绍了船舶结构冰载荷反演的影响系数矩阵法、支持向量机法、格林函数法、运动参数法和功能关系法,并重点分析了"MV Timofey Guzhenko"极地穿梭油轮与"IBRV Araon"破冰考察船的冰载荷测量结果.在此基础上对船体局部冰压、冰力峰值、冰载荷概率分布和冰激振动加速度等相关研究进展进行了深入的讨论.最后从测量技术、反演方法、冰载荷特性等方面剖析了当前船舶结构冰载荷现场监测中存在的问题,并探讨了相应的研究方向.本文对国内外极地船舶冰载荷现场测量与反演方法的论述可为后续研究与工程应用提供科学参考,从而更好地促进我国极地船舶的抗冰结构设计与冰区航行技术的发展.      

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。     

几何非线性分析的高效高阶无网格法

准确高效地处理几何非线性对于材料破坏等大变形过程的数值分析至关重要。考虑到无网格法具有易于形成高阶近似函数等诸多优点，本文发展了几何非线性分析的高阶无网格法。采用上一载荷步收敛的构形作为计算的参考构形，位移本质边界条件由罚函数法施加。为提高计算效率，将针对线性问题发展的二阶一致三点积分格式QC3（Quadratically Consistent 3-point integration scheme）拓展到考虑构形变化的几何非线性分析，大幅度减少了所需的积分点数目。数值结果表明，本文发展的高阶无网格法能够准确有效地处理几何非线性问题，而且在计算效率、精度以及应力场光滑性等方面均表现出显著优势。