摩擦接触弹塑性分析的数学规划法

本文提出摩擦接触弹塑性分析的数学规划法,是弹性接触问题解法的推广,使之能处理比例加载时的塑性效应。利用所导出接触问题总刚度阵的逆,结合参变量线性互补公式,仍可消去由接触单元而引入的惩罚因子。于是,可以获得一个弹塑性问题、弹性接触和弹塑性接触问题的有限元参数二次规划法模型。所选的几个实例说明了方法的实用性。     

考虑摩擦三维弹塑性接触边界元法

边界元法与其它数值方法相比，由于具有应力和面力计算精度高的特点，非常适合于接触问题的分析，本文建立了考虑摩擦三维弹塑性接触问题的边界元法，采用此方法对板带轧制这一典型的弹塑性接触问题进行了分析，证明本文人出的方法是有效的。     

形状设计灵敏度分析的改进的再生核质点法

基于物质导数概念和直接微分法,将再生核质点法应用于形状设计灵敏度分析（DSA）中。导出了基于无网格近似的灵敏度方程,特别强调了在考虑形状函数关于设计变量的物质导数时无网格方法与有限元法的不同。通过对RKPM形状函数及其物质导数进行矩式显式表述,提高了无网格方法的计算效率。对两个二维线弹性问题进行了位移灵敏度和应力灵敏度分析,计算结果与解析解吻合的很好;同时通过对通常的RKPM和改进的RKPM计算耗时的比较,显示了该方法不仅有效,而且可以显著地提高计算效率。     

规划-迭代型弹塑性摩擦接触多极边界元法

提出基于多极展开法的规划-迭代型的高度非线性方程的IGMRES(m)高效求解法,并建立其收敛性理论。本法适用于三维弹塑性摩擦接触多极边界元法,有效处理弹塑性摩擦接触迭代的繁杂和费时问题。数值试验证明,本求解法在确保数值精度的前提下,可减少迭代次数,显著提高计算效率。     

正交各向异性弹塑性摩擦接触问题的数值求解

采用正交各向异性摩擦定律对三维弹塑性摩擦接触问题进行分析,基于参变量变分原理,经过有限元离散,将问题化为线性互补问题模型,之后给出一个求解互补问题的非内点光滑化算法.对三维接触问题,滑动方向的确定一直是个难点,为此,该文采用作者提出的组合规划法和迭代法对各向异性摩擦本构模型进行分析,数值结果说明了模型与算法的正确性.     

解三维摩擦接触问题的一个二阶锥线性互补法

针对三维摩擦接触问题的求解,给出了一种基于参变量变分原理的二阶锥线性互补法. 首先,基于三维Coulomb摩擦锥在数学表述上属于二阶锥的事实,利用二阶锥规划对偶理论,建立了三维Coulomb摩擦接触条件的参变量二阶锥线性互补模型,它是二维Coulomb摩擦接触条件参变量线性互补模型在三维情形下的自然推广;随后,利用参变量变分原理与有限元方法,建立了求解三维摩擦接触问题的二阶锥线性互补法. 较之于将三维Coulomb摩擦锥进行显式线性化的线性互补法,该方法无需对三维Coulomb摩擦锥进行线性化,因而在保证精度的前提下所解问题的规模要小很多. 最后通过算例展示了该方法的特点.      

固体火箭发动机滚动球窝喷管弹塑性摩擦接触承载性能分析

固体火箭发动机滚动球窝喷管的弹塑性摩擦接触承载性能,属于复杂结构在复杂载荷作用下的弹塑性摩擦接触问题,它直接决定着系统的结构设计和功能发挥。为保证系统在承受极端工作载荷时,喷管不产生大的轴向位移,阴球、阳球与滚动体间具有一定的接触强度,同时不产生过量的塑性变形,设计阶段,基于计算精度高的三维摩擦接触问题的Lagrange乘子法,解决了与弹塑性耦合的算法问题;在滚动体运动分析及摩擦测试的基础上,模拟系统冷试车冲压试验,充分考虑材料表面强化层,建立了各构件间的弹塑性摩擦接触模型。有限元计算结果及冷试车分解试验、系统作动力矩测试试验结果表明,系统弹塑性摩擦接触承载性能满足结构设计要求,有限元建模及计算结果正确。     

考虑材料温度相关性的二维轮轨弹塑性滑动接触温升分析

轮轨滑动接触温升的准确预测对于轮轨的磨耗和疲劳研究均具有重要意义.目前的轮轨温升解析或半解析模型通常考虑Hertz弹性接触压力分布和单一材料属性的温度相关性,与实际的轮轨传热状态尚有一定偏差,因此在轮轨滑动温升计算模型中考虑接触压力的塑性修正和多种材料属性的温度相关性,有望提高温升预测结果的准确性.基于弹塑性接触理论,同时考虑热导率、比热容和摩擦系数的温度相关性,通过基尔霍夫变换方法以热导率温度相关性函数的积分作为待求量,将复杂的非线性Fourier导热方程转化成含单个变系数的简单偏微分方程形式,从而构建了一种不限制材料温度相关性函数形式的统一隐式差分求解格式,分别讨论了对流换热系数、法向载荷、蠕滑率以及行车速度对钢轨表面滑动温升的影响.结果表明,当列车高速行驶时,对流换热系数对轮轨滑动温升的影响甚微;蠕滑率和行车速度的增大,均会引起摩擦功率的增大,进而导致钢轨表面温度的升高;钢轨表面滑动温升的峰值随法向载荷的增大而近似线性上升.此外,在轮轨滑动温升计算模型中考虑材料属性的温度相关性可有效避免对滑动温升的过分高估,且摩擦系数的温度相关性对温升的影响要显著强于热导率和比热容.     

大变形中摩擦接触问题的数值模拟及应用

大变形的摩擦接触是复杂的非线性问题 ,本文介绍了一种处理摩擦接触问题的数值方法。采用接触单元技术模拟接触界面 ,基于弹塑性理论形式的非经典Coulomb摩擦定律及罚函数方法建立了摩擦接触的增量本构关系。结合大变形的增量分析格式给出了积分摩擦接触本构方程的回映方法。这种处理摩擦接触问题的方法计算简单、使用方便。给出的计算实例及应用实例说明了方法的精度与稳定性     

有摩擦有间隙的三维接触问题有限元法及应用

介绍了一种求解三维弹性体间有摩擦、有间隙的接触问题有限元解法。文中推导出四种接触状态的接触条件。该方法通过赫兹问题验证，有限元解与精确解吻合较好。应用本方法对汽轮机汽缸法兰连接进行了应力计算，获得了法兰结合面上压应力分布规律并得出了一些重要结论。     

有初始几何缺陷的壳体弹塑性大变形分析

本文在等温小变形弹塑性内时本构方程偏量形式的基础上，导出了适用于大位移、大转动、小应变分析的弹塑性内时本构方程，进一步推导出了带有初始几何缺陷的非线性弹塑性问题的有限元方程，可用于分析缺陷对结构非线性弹塑性反应的影响，也可用于带缺陷的非线性问题求解及稳定性分析．     

摩擦接触问题的比例边界等几何B可微方程组方法

摩擦接触问题是计算力学领域最具挑战性的问题之一,接触系统的泛函具有非线性、非光滑的特点,导致接触算法的收敛性与精确性难以保证.因此将比例边界等几何分析(scaled boundary isogeometric analysis,SBIGA)与B可微方程组(B dierential equation,BDE)相结合,提出了求解二维摩擦接触问题的比例边界等几何B可微方程组方法.在比例边界等几何坐标变换的基础上,通过虚功原理推导了关于边界控制点变量的接触平衡方程,表示成B可微方程组形式的接触条件可被严格满足,求解B可微方程组的算法的收敛性有理论保证.此比例边界等几何B可微方程组方法(SBIGA-BDE)只需在接触体边界进行等几何离散,使问题降低一维,能精确描述接触边界,并可通过节点插入算法进行真实接触区域的识别.此外,由于几何建模和数值分析使用相同的基函数,节约了划分网格的时间.以赫兹接触问题和悬臂梁摩擦接触问题为例,通过与解析解及数值计算软件ANSYS计算结果进行对比,验证了该方法求解二维摩擦接触问题的有效性及高精度等特点.      

SENSITIVITY ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF COUPLED THERMAL AND FLOW PROBLEMS WITH APPLICATIONS TO CONTRACTION DESIGN

The finite element method and the Newton–Raphson solution algorithm are combined to solve the momentum, mass and energy conservation equations for coupled flow problems. Design sensitivities for a generalised response function with respect to design parameters which describe shape, material property and load data are evaluated via the direct differentiation method. The efficiently computed sensitivities are verified by comparison with computationally intensive, finite difference sensitivity approximations. The design sensitivities are then used in a numerical optimization algorithm to minimize the pressure drop in flow through contractions. Both laminar and turbulent flows are considered. In the turbulent flow problems the time-averaged momentum and mass conservati on equations are solved using a mixing length turbulence model.     

传热与接触两类问题耦合作用的有限元分析

考虑传热接触耦合作用的热力学分析问题大量存在于工程中,分析的难点是必须考虑热与可移动接触边界间的耦合作用.针对这类问题的求解,该文给出了接触边界上热交换与温度边界条件,并在此基础上建立了两类变分方程,一类是热力学变分泛函,其考虑了接触区域对结构热传导的影响;另一类是二维热弹性接触分析的参数变分原理,可以方便地对接触问题进行求解.文中给出有限元分析的离散公式,并进一步给出两类问题耦合分析的迭代算法,其中接触分析的惩罚因子是可以消除的,数值结果验证了该文的理论与算法.     

不均匀性焊接接头弹塑性断裂力学问题的有限元分析

本文对含裂纹焊接接头的简化模型——软夹硬不均匀裂纹体和硬夹软不均匀裂纹体——进行了弹塑性有限元分析,研究了材质力学性能不均匀性对OOD的影响规律.还研究了在静载和疲劳载荷下材质不均匀性对软夹硬不均匀体裂纹扩展行为的影响.     

SECTIONAL FINITE ELEMENT ANALYSIS OF COUPLED DEFORMATION BETWEEN ELASTOPLASTIC SHEET METAL AND VISCO-ELASTOPLASTIC BODY

The present paper is devoted to developing a new numerical simulation method for the analysis of viscous pressure forming (VPF), which is a sheet flexible-die forming (FDF) process. The pressure-carrying medium used in VPF is one kind of semisolid, flowable and viscous material and its deformation behavior can be described by the visco-elastoplastic constitutive model. A sectional finite element model for the coupled deformation analysis between the visco- elastoplastic pressure-carrying medium and the elastoplastic sheet metal is proposed. The resolution of the Updated Lagrangian (UL) formulation is based on a static explicit approach. The frictional contact between sheet metal and visco-elastoplastic pressure-carrying medium is treated by the penalty function method. Coupled deformation between sheet metal and visco-elastoplastic pressure-carrying medium with large slip is analyzed to validate the developed algorithm. Finally, the viscous pressure bulging (VPB) process of DC06 sheet metal is simulated. Good agreement between numerical simulation results and experimental measurements shows the validity of the developed algorithm.     

比例边界有限元二阶灵敏度设计及断裂力学分析

比例边界有限元是一种只需在边界上划分网格且无需基本解的半解析方法,能有效处理应力奇异性和无边界问题.论文提出了一种比例边界有限元的二阶灵敏度分析方法,可以准确而高效地求解响应关于参数的二阶梯度.首先通过建立仅需右特征向量的哈密顿矩阵特征灵敏度分析方程,发展了一种改进的比例边界有限元一阶灵敏度分析方法;其次,进一步通过构建二阶哈密顿矩阵特征灵敏度分析方程,并对比例边界有限元系统方程进行一系列二次直接微分,提出了一种半解析形式的比例边界有限元二阶灵敏度分析方法.该方法被应用于线弹性裂纹结构的形状灵敏度分析和不确定性传播分析.最后,给出了两个数值算例验证论文方法的有效性.     

固体力学有限元体系的结构拓扑变化理论

本文是文[1]的继续.文[1]提出了杆件系统的结构拓扑变化理论和拓扑变化法本文将这一理论和方法推进到连续体有限元体系;且在此基础上揭示出有限元体系的一个新性质,称为基本位移之梯度的正交性定理,从而给出一套设计敏度的显式表达式,可直接用于计算.     

橡胶类零件有限变形应力分析用的三维光弹性方法

在应力冻结法基础上，建立了橡胶类零件有限变形应力分析用的三维光弹性方法，被研究对象的拉格朗日应变可达１５％。用一个应力集中三维效应的实例说明了本方法的有效性。