牛顿迭代一致性算法及其在板弹塑性有限元分析中的应用

本文简略讨论了有限载荷增量弹塑性有限元分析中传统切线刚度法丧失精度和牛顿迭代平方收敛速度的原因,并提出保持牛顿迭代平方收敛速度、保证一阶精度和无条件稳定性的一致性算法.一致性算法具备以下两个特征:1)采用路径无关计算格式;2)采用一致弹塑性切线模量。根据一致性算法构造出以弯矩和曲率为基本变量的弹塑性板弯曲有限元NIDKQ元。数值结果表明NIDKQ元具有令人满意的精度,同时验证了有限载荷增量下牛顿迭代一致性算法的平方收敛率特性,而传统切线刚度法随着塑性区的扩展将大大降低收敛速度。     

一致切线刚度法在三维弹塑性有限元分析中的应用

本文提出了一致切线刚度法，并把它应用于三维弹塑性有限元分析问题。从而解决了增量迭代弹塑性有限元分析方法中长期存在的速度慢、精度低问题，一致切线刚度法满足加卸载互补准则，即没有应力漂移现象，具有一阶精度、二阶迭代收敛速度、计算量少和无条件稳定等优点，借助算例对一致切线刚度法和传统切线刚度法（包括路径相关和路径无关两种结构变量更新格式）从计算精度、迭代收敛速度和计算量等几方面进行了比较。     

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。     

非线性弹性及全量弹塑性有限元分析中的一致性切线模量

本文导出了非线性弹性及全量弹塑性有限元分析中的一致性切线模量,从而可以保持牛顿迭代法固有的平方收敛速度.指出了某些文献中关于切线模量的不正确表述,并以数值算例验证了本文方法的正确有效.     

三维材料非线性问题的分区混合元法

本文构造了用于空间弹塑性分析的杂交混合元。导出了增量形式的分区混合变分原理,由此构造了用于空间弹塑性分析的分区混合元,并提出了一个加速求解非线性有限元方程组的修正的牛顿-拉夫森法迭代收敛的-维搜索格式。文中算例表明:杂交混合元用于空间弹塑性分析可以得到比位移元和杂交元更好的精度;分区混合元兼有较好的精度和算时较省的长处,适用于非线性问题的数值分析;并验证了该一维搜索法是一个有效地加速迭代收敛的方法。     

岩土弹塑性有限元分析的隐式积分弹性刚度法

本文提出了用于岩土弹塑性有限元分析的隐式积分弹性刚度算法。该算法既具有隐式积分法精度好、效率高、无条件稳定等优点，也具有弹性刚度法中刚度矩阵正定、对称的特点，更重要的是它避免了传统切线刚度法在处理岩土非相关联塑性流动和屈服面“角点”所遇到的非对称性和奇异性计算问题。通过算例分析了该算法的精度、效率     

岩土弹塑性有限元分析的隐式积分弹性刚度法

本文提出了用于岩土弹塑性有限元分析的隐式积分弹性刚度算法。该算法既具有隐式积分法精度好，效率高，无条件稳定等优点，也具有弹性刚度矩阵正定、对称的特点，更重要的是它避免了传统切线刚度法在处理岩土非相关联塑性流动和屈服面“角角”所遇到的非对称性和奇异性计算问题。通过算例分析了该算法的精度、效率。     

弹塑性体脆断相场模型的一致性无单元伽辽金法

采用无单元伽辽金法（EFG）对弹塑性体脆性断裂的相场模型进行了数值实现。利用无单元法便于构建高阶近似函数的优势,位移和相场均采用二阶移动最小二乘（MLS）近似。刚度阵的数值积分采用更为高效的二阶一致三点积分格式QC3（Quadratically Consistent 3-point integration scheme）。本构算法采用Newton-Raphson迭代和弹塑性一致性切线模量。数值结果表明了本文方法模拟弹塑性体脆性断裂的有效性。     

求解钢压杆极限承载力的有限条塑性系数增量初应力法

本文提出了有限条塑性系数增量初应力法，用于分析钢压杆的弹塑性稳定极限承载力，该法采用分级加载，用有限条法建立结构的增量平衡方程；在塑性范围，引入截面的塑性系数对弹性刚度进行折减得到结构的弹性刚度矩阵；用修正的Ｎｅｗｔｏ－Ｒａｐｈｓｏｎ方法迭代求解，数值结果表明，本法效率较高，与钢压杆试验结果吻合良好，可以考虑残余应力和载荷偏心的影响，可望实现大型超静定结构的极限载力分析。     

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。     

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。     

Stress resultants plasticity with general closest point projection

In this paper, general closest point projection algorithm is derived for the elastoplastic behavior of a cross-section of a beam finite element. For given section deformations, the section forces (stress resultants) and the section tangent stiffness matrix are obtained as the response for the cross-section. Backward Euler time integration rule is used for the solution of the nonlinear evolution equations. The solution yields the general closest projection algorithm for stress resultants plasticity model. Algorithmic consistent tangent stiffness matrix for the section is derived. Numerical verification of the algorithms in a mixed formulation beam finite element proves the accuracy and robustness of the approach in simulating nonlinear behavior.     

A generalized approach to formulate the consistent tangent stiffness in plasticity with application to the GLD porous material model

It has been shown that the use of the consistent tangent moduli is crucial for preserving the quadratic convergence rate of the global Newton iterations in the solution of the incremental problem. In this paper, we present a general method to formulate the consistent tangent stiffness for plasticity. The robustness and efficiency of the proposed approach are examined by applying it to the isotropic material with J₂ flow plasticity and comparing the performance and the analysis results with the original implementation in the commercial finite element program ABAQUS. The proposed approach is then applied to an anisotropic porous plasticity model, the Gologanu–Leblond–Devaux model. Performance comparison between the consistent tangent stiffness and the conventional continuum tangent stiffness demonstrates significant improvement in convergence characteristics of the overall Newton iterations caused by using the consistent tangent matrix.     

无额外自由度广义有限元非线性分析

将无额外自由度的广义有限元法由线弹性分析扩展到弹塑性大变形分析.局部强化函数的构建依赖于已有节点,不引入额外自由度,避免了线性相关性问题.在更新拉格朗日框架下,通过控制方程弱形式的线性化推导得到了节点内力的率形式,并分为材料和几何两部分.考虑超弹性和亚弹-塑性两种材料模型,采用Newton-Raphson迭代求解,给出...     

A comparative study of GLS finite elements with velocity and pressure equally interpolated for solving incompressible viscous flows

A comparative study of the bi‐linear and bi‐quadratic quadrilateral elements and the quadratic triangular element for solving incompressible viscous flows is presented. These elements make use of the stabilized finite element formulation of the Galerkin/least‐squares method to simulate the flows, with the pressure and velocity fields interpolated with equal orders. The tangent matrices are explicitly derived and the Newton–Raphson algorithm is employed to solve the resulting nonlinear equations. The numerical solutions of the classical lid‐driven cavity flow problem are obtained for Reynolds numbers between 1000 and 20 000 and the accuracy and converging rate of the different elements are compared. The influence on the numerical solution of the least square of incompressible condition is also studied. The numerical example shows that the quadratic triangular element exhibits a better compromise between accuracy and converging rate than the other two elements. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

弹塑性力学问题的虚单元法

具有有限差分法特征的虚单元法,可视为是有限元法向任意多边形单元的扩展。在材料细观力学性能表征、非均质材料力学分析等非线性问题方面,传统的弹塑性有限元法具有网格数目多、效率低下等不足之处,而虚单元法使网格划分更加灵活,为材料的弹塑性力学分析等非线性问题提供了新的思路。基于增量法弹塑性力学原理和双线性投影算子,建立了弹塑性力学问题的虚单元法求解技术,提出了弹塑性力学问题虚单元法的应力更新方案,研究了弹性力学问题虚单元法的精度和收敛性,讨论了虚单元法求解弹塑性力学问题的网格依赖性。同时,开展了任意多边形和凹多边形单元的数值试验研究,结果表明,虚单元法无须分割多边形,仅需节点自由度便可求得单元刚度矩阵和应力等效荷载,程序实现简单,计算精度高,改善了传统有限元的网格依赖性和塑性区的网格奇异性。     

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。