等几何壳体分析与形状优化

首先基于Reissner-Mindlin理论进行了三维壳体等几何分析,而后基于此对三维壳体进行形状优化,提出了形状优化中灵敏度的全解析计算方法,包括位移应变阵、雅克比阵和刚度阵等相对控制顶点位置的灵敏度解析计算公式;通过实例验证了壳体等几何分析和灵敏度全解析计算方法的有效性。与传统的基于网格的灵敏度半解析计算方法相比,基于NURBS的灵敏度全解析计算具有精确、计算效率高的特点,且可以避免优化迭代中的网格畸变。     

等几何壳体分析与形状优化

首先基于Reissner-Mindlin理论进行了三维壳体等几何分析,而后基于此对三维壳体进行形状优化,提出了形状优化中灵敏度的全解析计算方法,包括位移应变阵、雅克比阵和刚度阵等相对控制顶点位置的灵敏度解析计算公式;通过实例验证了壳体等几何分析和灵敏度全解析计算方法的有效性。与传统的基于网格的灵敏度半解析计算方法相比,基于NURBS的灵敏度全解析计算具有精确、计算效率高的特点,且可以避免优化迭代中的网格畸变。     

加筋路径驱动的板壳自适应等几何屈曲分析

加筋薄壁结构常被用于航空航天结构的轻量化设计.随着结构尺寸和几何特征的增加,需要更加精细的网格来满足分析精度的要求.传统的等几何方法采用NURBS张量积形式的拓扑结构,使得在分析过程中难以实现局部细化,而全局细化则会增加不必要的自由度.为了提升加筋板壳结构的数值分析精度和效率,提出一种基于RPHT (rational polynomial splines over hierarchical T-meshes)样条的加筋板壳自适应等几何屈曲分析方法.样条网格可以沿着加筋路径进行自适应的局部细化,有效提升低自由度下加筋板壳结构等几何屈曲分析的精度.首先,蒙皮和筋条分别采用RPHT样条曲面和NURBS样条曲线进行建模,几何建模与数值仿真采用统一的几何语言,实现建模与分析的一体化.其次,采用几何投影算法和样条插值算法实现筋条与蒙皮之间的高效高精度强耦合,并建立基于加筋路径驱动自适应网格细化方法.最后,曲线加筋板和网格加筋壳两个算例验证本方法的高效性和鲁棒性,通过与基于NURBS的等几何分析进行对比,本方法能够明显降低分析模型的总自由度.     

基于等几何边界元法的声学敏感度分析

基于非均匀有理B样条(NURBS)曲面建模技术,边界物理量同样用NURBS基函数插值,推导出三维声场等几何边界积分方程。进一步以控制点为设计变量,用直接微分法推导出等几何敏感度边界积分方程,给出声场声压对形状参量的敏感度。针对边界积分方程中的超奇异积分,使用奇异相消技术并结合Cauchy主值积分和Hadamard有限部分积分处理,给出了超奇异积分的NURBS插值半解析表达式。数值算例验证了本文算法求解声学结构形状敏感度的有效性,为声学结构的整体形状优化打下基础。     

几何精确的非协调等几何NURBS有限元

本文尝试将传统的非协调有限元技术推广到等几何有限元领域,建立了基于精确几何的非协调等几何分析方法,旨在拓展等几何分析应用范围,以便于等几何分析技术能真正实现CAD和FEA的融合,从而真正实现了无需划分网格的目的。我们定义了非协调的NURBS几何（类似非协调元）,给出了NURBS曲面之间几何弱连续的充分条件,进而定义了非协调的等几何分析,将之归纳为带约束驻值问题,并用拉格朗日方法进行求解。两个算例证明这种方法的有效性。未来的工作主要是证明这种方法在不同几何连续性条件下的收敛性以及将之应用到更广的领域。     

波导本征问题的等几何分析方法

利用等几何分析思想通过加权余量法并结合亥姆霍兹方程推导出波导本征问题的等几何分析方程,提出了一种分析波导本征问题低自由度消耗、高精度的方法。该方法消除了传统数值方法中求解域的模型非一致性,从而实现了将问题的分析计算构架于精确的模型之上。以矩形和圆形波导的本征问题分析为例,通过与解析解和其他数值方法比较表明:在同等较细网格下,等几何分析模型仅花费1156个自由度,最大误差为0.003%,相比有限元的2245个自由度和0.03%的最大误差,此方法具有自由度少、精度高、收敛速度快等优点。     

热传导问题的比例边界等几何分析

提出比例边界等几何分析SBIGA(Scaled Boundary IsoGeometric Analysis)方法来求解热传导问题。SBIGA兼具比例边界有限元和等几何分析的优势,特别适用于求解包含无限域和奇异物理场的问题。该方法造型十分方便,在径向具有半解析性质,仅需在计算域边界上用NURBS基函数自然离散,为实现CAD/CAE无缝融合提供了新的途径,大大节约前处理和计算耗时。此外,SBIGA无需进一步与CAD系统数据交换就可以保型细分。三个基准算例证明了其在热传导分析中的有效性。与传统比例边界有限元相比,SBIGA模型消除了几何模型误差,并显示出更高的计算精度和收敛速度。     

基于等几何分析的比例边界有限元方法

提出了一种具有比例边界有限元的半解析特性和等几何分析的几何特性的新方法。该新方法是在比例边界有限元框架中用NURBS曲线或曲面精确描述域边界几何形状,同时域边界位移场采用描述几何形状的NURBS形函数等参构造。这种新方法具有比例边界有限元固有的径向解析特性和NURBS的高阶连续性的优点。数值算例显示,与传统的比例边界有限元相比,基于等几何分析的比例边界有限元方法提高了域边界单元和域内应力场的连续性,减少了计算自由度。应用此方法可以用较少的计算自由度获得更高连续阶和更高精度的位移、应力和应变场。     

具有平直条状几何缺陷圆柱壳的弹塑性应力分析

1 引言在实际工程中,由于制造方面的原因,金属圆柱壳结构常常出现平直条状初始几何缺陷.为了探求几何缺陷对壳体应力分布的影响,本文基于初挠曲理论将初始几何缺陷以初挠度引入基本方程.考虑到壳体结构形状的不规则特点,建立了结点任意分布的广义样条子域位移模式,用内时理论构造壳体本构方程.该理论与经典塑性理论相比,具有方程形式简单、应用方便、收敛速度快等特点.2 基本方程与位移模式本文以圆柱壳的子午线和环线为曲线坐标,其中子午向坐标参数为z,环向坐标为转     

拟协调等梯形壳元显式几何刚度阵及屈曲分析

采用拟协调元方法推导了等腰梯形薄壳元的显式几何刚度阵，用于组合结构屈曲分析的计算，结果表明，这种单元的几何刚度阵收敛快、精度好。     

轴压随机几何缺陷圆柱壳可靠性分析

轴压随机几何缺陷圆柱壳屈曲的失效函数具有较强的非线性，对于该结构已应用的可靠性分析方法不能同时满足计算精度和计算效率的要求。本文发展一个修正的Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ法，由两个步骤执行：应用一阶可靠性方法计算Ｈａｓｏｆｅｒ－Ｌｉｎｄ可靠性指标β；将简单Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ法的采样区域限制在基本随机变量构成的ｎ维β－球外部，采样点由一个ｘ＾２分布的随机半径Ｒ≥β和（－１，１）均匀分布的随机方向组成，     

分区样条等参元方法分析加助轴对称组合壳

本文提出分区样条行动等参元方法分析加肋轴对称组合壳在静水外压作用下的应力及稳定性，该方法根据母线几何形状，壳板厚度变化及边界约束状况将加肋轴对称组合壳划分为若干个区域，在不同区域采用不同步长的样条等参元进行分析，因而便于对复杂的组合壳进行分析，并可大大减少计算所需自由度数，减少计算工作量，同时计算精度很高，并且易于进行边界约束处理，应用该方法对加肋锥－柱，加肋锥－环－柱组合壳进行了计算，其结果与其     

混凝土棱柱面网壳的几何非线性稳定性分析

混凝土棱柱面网壳是通过切割圆柱面后再网格化而得到的一种新型壳体结构。为了解其几何非线性稳定性能,采用有限元方法进行全过程分析,并在弹性稳定性分析基础上,考虑结构矢跨比、主拱刚度、密肋梁刚度、屋面板厚度、初始几何缺陷的影响进行临界荷载的参数化分析,且拟合其近似计算公式。结果表明:结构的刚度薄弱部位出现在密肋平板上,弹性失稳临界荷载约为设计荷载的6.4倍;非线性屈曲为跃越屈曲并逐步在结构中部形成软化区,临界荷载约为弹性失稳临界荷载的90%,结构具有较好的后屈曲延性;结构的矢跨比不宜低于跨度的1/6,提高矢跨比可增强结构的非线性稳定性能;主拱是结构的主要传力结构,其刚度对临界荷载的影响较大,主拱截面高度不宜低于结构跨度的1/60;密肋梁刚度对改善结构非线性稳定性的影响有限,建议密肋梁截面高度可按结构跨度的1/100～1/80取值;临界荷载近似与屋面板厚度成线性关系,但不建议采用过厚的屋面板;引入初始几何缺陷将降低结构的临界荷载5%～15%,结构最大初始几何缺陷可取跨度的1/300。本文拟合的临界荷载近似计算公式所得的结果满足工程精度的要求。     

应用平板壳单元DKQl6分析板壳结构的几何非线性

应用新近开发的四边形十六自由度离Kirchhoff平板壳单元DKQl6，分析了板壳结构的几何非线性问题，采用Total Lagrange格式，在小应交、中等转动的假定下，建立了该单元几何刚度阵和大位移矩阵．非线性方程采用位移引导或弧长引导的牛顿-拉夫森增量迭代法求解．讨论了网格和加载步效对收敛性的影响，通过对典型算例的计算以及与其它单元的比较，说明了DKQl6单元在板壳结构几何非线性分析中也有良好的精度．     

基于等几何分析的边界元法求解二维Laplace方程

针对二维Laplace问题,提出了基于非均匀有理B样条的等几何边界单元法(IGABEM),并利用径向积分法来处理奇异积分。该方法实现了几何与求解域的无缝融合,不仅实现了求解域与几何的完美匹配,而且节约了前处理时间。该方法可以很容易地实现模型的细分,并且在仅增加少量自由度的情况下获得更高的精度。数值算例表明,该方法能够有效地求解二维Laplace方程,且具有非常好的计算精度。     

分区样条等参元方法分析加肋轴对称组合壳

本文提出分区样条等参元方法分析加肋轴对称组合壳在静水外压作用下的应力及稳定性。该方法根据母线几何形状、壳板厚度变化及边界约束状况将加肋轴对称组合壳划分为若干个区域，在不同区域采用不同步长的样条等参元进行分析，因而便于对复杂的组合壳进行分析，并可大大减少计算所需自由度数，减少计算工作量，同时计算精度很高，并且易于进行边界约束处理。应用该方法对加肋锥－柱、加肋锥－环－柱组合壳进行了计算，其结果与其它方法计算值及实验值吻合良好。     

轴压随机几何缺陷圆柱壳可靠性分析

轴压随机几何缺陷圆柱壳屈曲的失效函数具有较强的非线性，对于该结构已应用的可靠性分析方法不能同时满足计算精度和计算效率的要求。本文发展一个修正的ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法，由两个步骤执行：应用一阶可靠性方法计算Ｈａｓｏｆｅｒ－Ｌｉｎｄ可靠性指标β；将简单ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法的采样区域限制在基本随机变量构成的ｎ维β－球外部，采样点由一个χ２分布的随机半径Ｒ≥β和（－１，１）均匀分布的随机方向组成，该修正的ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法用于轴压随机几何缺陷圆柱壳屈曲强度可靠性分析表明，在相同精度的情况下修正的ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法的样本容量比简单ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法要低３个数量级，一阶可靠性方法的计算误差随着与分支屈曲模态一致的初始几何缺陷项数的增加越来越显著     

基于T样条的变网格等几何薄板动力学分析

具有大位移、大变形的薄板在接触碰撞等工况下, 其局部应变会产生剧烈变化. 为了保证对其进行动力学分析的精度和计算效率, 本文整合计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助工程(CAE)系统, 提出了一种基于T样条曲面的变网格柔性系统等几何分析方法. 首先, 建立基于T样条曲面单元的基尔霍夫薄板运动学模型, 并根据非线性格林?拉格朗日应变建立由T样条曲面单元离散的薄板弹性模型. 其次, 通过在T网格中的局部区域插入节点的方式, 达到T样条曲面网格局部更新的目的. 利用T样条混合函数细化算法得到计算新广义变量的转换矩阵, 并结合广义α法创建了变自由度系统动力学方程的求解算法, 形成了系统的T样条单元局部细化算法. 最后, 静力学算例与柔性单摆模型分别验证了T样条薄板弹性模型的正确性, 以及T样条薄板单元在动力学分析上的精度和收敛性. 通过对受冲击柔性薄板的动力学分析表明, 本文所提出T样条单元及局部细化算法可以只在接触碰撞等应变剧烈变化的区域实现局部网格细化, 从而控制系统自由度数, 提高计算效率.      

基于Bézier提取的三维等几何分析

等几何分析(IGA)将非均匀有理B样条(NURBS)函数作为有限元形函数,具有几何精确、高阶连续和精度高等优点。与常规有限元法C0连续的形函数不同,高阶IGA基函数不是定义在一个单元上,而是跨越由几个单元组成的参数空间,因而编程复杂且无法嵌入现有的有限元法计算框架及相应算法。本文建立了基于Bézier提取的三维IGA,将NURBS函数分解成伯恩斯坦多项式的线性组合,从而实现把NURBS单元分解为C0连续Bézier单元,这些单元与Lagrange单元相似,使IGA的实现和常规有限元一样,以便将IGA分析嵌入现有的有限元软件中。两个三维算例结果表明,基于Bézier提取的IGA和传统IGA的收敛性和精度相同。     

基于等几何分析的结构优化设计研究进展

结构等几何分析是计算固体力学领域一种新兴的数值方法,致力于将CAD（计算机辅助设计）和CAE（计算机辅助工程）纳入到统一的数学表达框架。等几何分析紧密联系几何信息,采用相同的数学表达将几何精确建模、结构分析和设计过程结合,为结构优化设计提供了新的选择和机会。相比基于有限元的结构优化方法,等几何优化设计方法可在一定程度上提高结构优化的精度、效率和便利性。本文针对具有代表性的结构等几何优化设计,包括形状优化、尺寸优化和拓扑优化等问题,系统梳理和综述了主要的等几何优化方法及其在结构优化设计中的应用。比较分析和评述了结构等几何优化设计方法的算法特点及计算优势与劣势,探讨了基于等几何分析的结构优化研究的前沿问题,并展望了未来的发展方向,包括：基于复杂剪裁CAD几何的高效等几何分析与优化设计、基于实体几何构造的结构等几何分析和优化设计、等几何分析与其他力学分析方法结合的结构优化、基于等几何分析的壳体优化设计、基于等几何分析的材料和结构一体化优化设计以及考虑不确定性的结构等几何优化设计等。