二维波动方程的动态有限元离散化的频散研究

本文利用二维波动方程，推导出波在单元内行进的动态形函数，在此基础上，得到了波在离散体内传播的频散关系，利用这一关系式，绘出了频谱曲线，分析表明：波在离散体内传播的频散程度不仅与波的传播方向有关而且与单元的质量分布，网格划分有密切的关系。     

不同尺度分布散粒材料砂堆形成过程的二维离散元模拟

用作者开发的离散元程序,模拟不同尺寸分布的砂堆形成过程.把散体颗粒简化为圆形颗粒,模拟过程分三步:首先利用参考网格生成颗粒的松散堆积结构;为了避免颗粒下落的冲击作用对砂堆安息角的影响,先模拟颗粒在重力作用下在圆柱容器内的自由下落与堆积,直至堆积达到稳定;最后,移除容器,只保留一个底部边界,模拟颗粒体系的散落过程,直至形成一个稳定的砂堆.模拟结果表明,在其他参数保持相同的情况下,随着颗粒尺寸的减小,砂堆的安患角逐步减小并趋向于一常值.对模拟中的两组颗粒体系进行相同条件下的砂堆形成实验,结果表明,模拟与实验所得安息角大体相当.     

用二次形函数薄层法分析弹性层状地基中的动力问题

薄层法是分析和模拟弹性波在层状介质中传播的一种半解析半数值方法。本文在土层垂直方向离散中利用Galerkin加权残值法推导出二次形函数薄层元的计算公式。采用薄层单元模拟半空间上的层状场地,模型底面用阻尼器边界或傍轴边界代替半空间。利用点源简谐荷载作用下的土层反应与其它数值分析方法的对比讨论薄层模型的设置指标。并用一次和二次两种形函数离散方法计算了层状地基中的面波频散曲线、圆形均布简谐荷载作用下弹性半空间的位移反应和半无限地基中单桩的竖向阻抗函数,分别讨论其计算精度。     

波传播问题中有限元分析的频散特性及离散化准则

有限元法用于分析波的传播问题已日益广泛,它可能达到的程度已成为现在十分关心的课题。本文论述了有限元离散化后造成的频率特性的变化和散逸问题;给出了波动问题有限元离散化的准则;并以几个典型实例来说明有限元法所能达到的精确程度。     

不可压缩二维流动Navier—Stokes方程的有限元解

对不可压缩流体沿二维后台阶流动的Ｎ－Ｓ方程的流函数－涡量式用有限元方法加以求解，固壁上的涡量用时间迭代法加以确定。分别计算Ｒｅ＝２００，４００，８００和１０００时流动区域的流函数和涡量值，并在Ｒｅ＝８００时与有关文献的结果相比较，基本吻合。且在此基础上讨论了出口条件对计算结果的影响。本文的方法对分析流经液压阀口等流动问题具有借鉴意义。     

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识. 波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行. 本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型. 在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动. 基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系. 结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量. 应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.      

管内流体对单壁碳纳米管中弯曲波频散的影响

由于其管状结构,碳纳米管在纳机械系统中可望被用作输流管道.采用连续介质力学方法,研究管内有流体存在时碳纳米管中弯曲波的传播和频散.建立流体存在时考虑二阶应变梯度的非局部弹性Timoshenko梁方程.流体的存在,使相速度最低的解支相速度降低.当流速较低时,流速对碳纳米管中弯曲波传播的影响不大.当流速较高时,相速度最低的一支随流速增加相速度降低.当流速非常高时,该解支会消失.但流体的存在对其他解支影响不大.随着波数的升高,非局部弹性所描述的微结构对碳纳米管中弯曲波传播的影响越来越明显.     

波导结构频散分析的特征频率法及在板条结构中的应用

提出一种求解波导结构频散特性的有限元特征频率法,该方法基于振动问题的特征频率计算理论,根据模态振型识别波数与模态类型,建立了相速度及群速度的求解方法。该方法可适用于任意波导结构的频散关系求解。首先分析满足收敛精度要求的最大网格单元尺寸与最小模型长度,并用该方法对简支板条结构的频散特性进行了计算。结果表明,有限元特征频率法适合求解波动频散关系,板条结构中模态受边界影响会产生同阶高次模态,边界尺寸决定新模态的截止频率;随频率的增大,同阶低次反对称模态会趋于一致;对称模态能量分布受边界影响较大。本文也为板条类结构导波实验结果的分析提供了理论依据。     

相位谱线性重构法去除Lamb波频散研究

Lamb波广泛应用于板壳结构的损伤检测,而Lamb波的频散效应使得板结构中损伤散射信号的渡越时间信息难以准确提取,因而影响了阵列波束成形损伤成像算法对损伤成像定位的效果和精度.提出的相位谱线性重构法,在中心频率处通过对相位谱展开,进行线性化处理,有效地去除了激励信号中的频散效应.该方法保证了中心频率下的信号分量不变,为研究阵列波束成形损伤成像算法对损伤精确成像奠定了基础.采用数值模拟和实验手段,验证所提出的相位谱线性重构法去除频散的效果,进而结合阵列波束成形损伤成像方法分析损伤成像定位的效果和精度.结果 表明,采用的频散去除方法能够提高损伤散射信号的信噪比,提升阵列波束成形损伤成像方法对损伤成像定位的效果和精度.     

岩石时频效应的实验研究

对饱和泵油南京砂岩和饱水大理岩在MTS上进行了单轴压缩实验和正弦波加载实验,求得两种饱和岩石的单轴抗压强度和屈服强度,并获得随正弦波频率的提高,饱和泵油南京砂岩的杨氏模量、纵横波速度增大,具有较明显的频散效应.饱和岩石中的微细观缺陷在正弦波加载中引起滞后,导致瞬时杨氏模量与应力成不对称"X"形,获得随正弦波频率增高,"X"交点在模量轴上的位置增高,杨氏模量增大,模量的频散增强.本文揭示了岩石的非线性时频响应的一些物理机理,对于岩石介质中的非线性波动研究以及地震、工程等理论研究和应用都具有重要意义.     

平面非协调动态有限元法

本文通过引入高阶非协调位移模式，从Ｈｅｌｉｎｇｅｒ－Ｒｅｉｓｓｎｅｒ泛函出发，给出了非协调动态有限元的一般列式，得到了相应的收敛准则。算例表明本文方法简单、有效     

冲击-动力接触问题有限元方法的几点注记

讨论了应用Newmark-β直接积分法求解冲击-动力接触问题在初始接触和初始分离时进行修正的必要性;证明了基于Newmark方法的有效刚度阵的正定性,导出了关于接触力向量的有效柔度方程,从而把动力接触迭代过程凝缩到接触面上,提高了计算的效率;算例包括两杆冲击问题和两圆盘冲击问题。     

理性有限元

提出了与常现有限元迥然不同的理性有限元列式。其方法论的差别在于理性有限元充分考虑了力学的微分方程，用方程的解来逼近单元内部场．即以力学的需求为主导，再用相应的数学方法推导。并用理住平面四边形元RQ4为典型予以表述。数值结果表明理性有限元的优越性质。     

Boundary-type finite element method for wave propagation analysis

The boundary-type finite element method has been investigated and applied to the Helmholz and mild-slope equations. Four types of interpolation function are examined based on trigonometric function series. Three-node triangular, four-node quadrilateral, six-node triangular and eight-node quadrilateral elements are tested; these are all non-conforming elements. Three types of numerical example show that the three-node triangular and four-node quadrilateral elements are useful for practical analysis.     

Dispersion error reduction for acoustic problems using the smoothed finite element method (SFEM)

The smoothed finite element method (SFEM), which was recently introduced for solving the mechanics and acoustic problems, uses the gradient smoothing technique to operate over the cell‐based smoothing domains. On the basis of the previous work, this paper reports a detailed analysis on the numerical dispersion error in solving two‐dimensional acoustic problems governed by the Helmholtz equation using the SFEM, in comparison with the standard finite element method. Owing to the proper softening effects provided naturally by the cell‐based gradient smoothing operations, the SFEM model behaves much softer than the standard finite element method model. Therefore, the SFEM can significantly reduce the dispersion error in the numerical solution. Results of both theoretical and numerical experiments will support these important findings. It is shown clearly that the SFEM suits ideally well for solving acoustic problems, because of the crucial effectiveness in reducing the dispersion error. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

粘弹性大变形动力响应的有限元分析

本文基于ＴｏｔａｌＬａｇｒａｎｇｉａｎ增量叠加方法，采用Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力增量和Ｇｒｅｅｎ应变增量表示的动力虚功方程和Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力－Ｇｒｅｅｎ应变的单积分型本构关系，导出粘弹性大变形的动力变分方程。依此采用Ｎｅｗｍａｒｋ法和八节点轴对称等参数元与二十节点三维等参数元编制了轴对称及三维问题的动力响应计算程序，典型例题的计算结果表明分析符合结构的物理性质。     

A triangular quasi-conforming finite element for transient dynamic analysis

A type of 3 node triangular element is constructed by the Quasi-conforming method, which may be used to solve the equation of a type of inverse problem of wave propagation after Laplace transformation Δu−A ² u=0. The strains in the element are approximated by an exponential function and the string-net function between neighbouring elements is approximated by one dimensional general solution of the equation. Furthermore the strain field satisfies the equation, and therefore in the derivation of the element formulation, no shape function is needed. In this sense, it is a kind of hybrid element. Compared with the ordinary linear triangular element, the new one features higher precision with coarse meshes. Some numerical tests are presented. The project is supported by the National Natural Science Foundation of China.     

偶应力问题的杂交／混合元分析

将弹性力学中Hellinger—Reissner交分原理推广到偶应力理论中，并以罚函数的形式引入其约束条件，提出了一种有效的杂交／混合单元。文中分别分析了带中心小孔平板在轴向均匀加载时的应力集中情况，以及含中问裂纹的无限平板单轴拉伸时的位移场和应力场。算例表明，该单元计算效率高，精度好，即使在材料本征长度很小时，仍然能够得到相当理想的结果。     

多尺度六面体单元网格连接方法研究

提出多结点六面体单元的结点形函数构建方法,解决了数字化分析时两个多尺度有限元网格在接触界面由于单元结点不匹配而导致的结点属性不能连续传递问题.首先将全局坐标下的六面体单元及其表面上多结点通过等参逆变换转成局部坐标下的规则六面体单元及其表面上多结点;在规则单元中,以每个结点为基点,分别沿三个正交的局部坐标方向在单元内寻找...     

Some applications of semi-analytical finite element method in static and dynamic analysis of structures

In this paper a kind of semi-analytical finite element method based on the transfer matrix analysis of shells of revolution is briefly formulated. Some recent investigations on its application are presented: (1) a reanalysis algorithm for improving the accuracy of free vibration analysis; (2) a kind of semi-analytical ring element for the stress analysis of a curved pipe of the slender torus shell type.