电磁对偶有限元及在波导计算中的应用

力学中的Hamilton体系采用对偶变量描述问题。电磁场采用电场和磁场两类变量描述问题。将力学中的Hamilton体系引入到电磁场问题中,电场变量和磁场变量构成对偶变量,把频域电磁场的基本方程导向对偶方程形式,建立电磁场有限元所需的对偶变量变分原理,由此推导出电磁对偶有限元。将电磁对偶有限元应用于电磁波导计算中,可确定电磁波导的传播常数。文中给出了用电磁对偶有限元方法,计算矩形波导不同模式对应的传播常数的数值计算结果。     

周期电磁波导的能带辛分析

根据电磁波导的Hamilton体系,辛分析可用于任意各向异性材料,而且便于处理不同区段的界面条件。横向的电场和磁场构成了对偶向量。每段波导可以引入其两端的电磁刚度矩阵。对等截面的平面波导给出了通带和禁带解,又给出了截面突变连接的算法。运用能量原理的区段合并算法以生成波导基本周期的两端电磁刚度阵。此后,运用辛本征解就可对周期结构作出能带分析。     

电磁波导的半解析辛分析

根据电磁波导的Hamilton体系，辛几何可用于任意各向异性材料，而且便于处理不同区段的界面条件，横向的电场和磁场构成了对偶向量．基于Hamilton变分原理用半解析法进行横向离散应当保持体系的辛结构．离散后可以运用应用力学的有效算法，求解其辛本征值问题．每段波导可以引入两端Riccati矩阵，用精细积分法求解其方程组．     

变截面电磁波导的辛分析

电磁波导的求解可将基本方程导向Hamilton体系、辛几何的形式。横向的电场和磁场构成了对偶向量。辛体系便于处理不同介质波导的界面连接条件。正则对偶方程、分离变量法、Hamilton算子矩阵本征值问题、共轭辛正交归一关系、本征解的展开定理等整套理论,可以适用于多种波导的课题,有利于不同截面的波导连接、以及与共振腔的连接等。本文分析了两段不同材料不同截面对接的平面波导作为例题,表明辛体系用于波导的分析是有力的。     

基于对偶变量变分原理的完整约束系统保辛算法

基于对偶变量变分原理,选择积分区间两端位移为独立变量,构造了求解完整约束哈密顿动力系统的高阶保辛算法。首先,利用拉格朗日多项式对作用量中的位移、动量及拉格朗日乘子进行近似;然后,对作用量中不包含约束的积分项采用Gauss积分近似,对作用量中包含约束的积分项采用Lobatto积分近似,从而得到近似作用量;最后,在此近似作用量的基础上,利用对偶变量变分原理,将求解完整约束哈密顿动力系统问题转化为一组非线性方程组的求解。算法具有保辛性和高阶收敛性,能够在位移的插值点处高精度地满足完整约束。算法的收敛阶数及数值性质通过数值算例验证。     

梯度材料中矩形裂纹的对偶边界元方法分析

采用对偶边界元方法分析了梯度材料中的矩形裂纹. 该方法基于层状材料基本解,以非裂纹边界的位移和面力以及裂纹面的间断位移作为未知量. 位移边界积分方程的源点配置在非裂纹边界上,面力边界积分方程的源点配置在裂纹面上. 发展了边界积分方程中不同类型奇异积分的数值方法. 借助层状材料基本解,采用分层方法逼近梯度材料夹层沿厚度方向力学参数的变化. 与均匀介质中矩形裂纹的数值解对比,建议方法可以获得高精度的计算结果. 最后,分析了梯度材料中均匀张应力作用下矩形裂纹的应力强度因子,讨论了梯度材料非均匀参数、夹层厚度和裂纹与夹层之间相对位置对应力强度因子的影响.      

电磁接触问题的变分原理与有限元求解

电磁接触耦合作用的力学分析的难点是必须考虑电磁场以及由此引起的电磁力与可移动接触边界间的耦合作用，属于强非线性问题。本文给出接触面区域电磁场分析的处理条件，并进一步建立了两类变分方程，一类是电磁分析的变分泛函，其考虑了接触区域对结构电磁场的影响；另一类是二维电磁力学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。数值结果验证了本文的理论与算法。     

弹性与弹塑性问题的有限元与边界元耦合解法

本文提出了一种新的弹性与弹塑性问题的对称耦合解法，根据分区广义变分原理，直接导出问题的求解方程式。通过典型算例，验证了该方法的有效性，本文建议的方法怀超单元形式的耦合法相比，在理论上比较直接，在计算上更为经济。     

应力函数及其对偶理论在有限元中的应用

借助于Cosserat连续介质模型，探讨了应力函数和位移对避免有限元C$^{1}$ 连续性困难的互补性作用. 通过对应力函数对偶理论的深入分析，为将应力函数列式得到的 余能单元转化为具有一般位移自由度的势能单元提供了严格的理论基础，在此基础上， 给出应用应力函数构造有限元的一般方法.     

非线性最小二乘跟踪的对偶变量变分方法

最小二乘跟踪方法是近几年提出的一种计算动力系统跟踪轨迹的方法.基于最小二乘跟踪的灵敏度分析算法可以有效避免传统的非线性系统灵敏度分析方法中的病态初值问题,因此其在混沌系统灵敏度分析方面有着重要的应用.针对非线性的最小二乘跟踪问题,首先将其重新描述为带有约束的非线性最优控制问题,引入协态变量并将系统的哈密顿函数表示为关于状态变量和协态变量的函数.然后将目标函数的积分时间离散化,根据对偶变量变分原理,以离散区间两端的状态变量作为独立变量,用Lagrange插值多项式近似离散区间内的状态变量和协态变量,进而将非线性最优控制问题转化为求解非线性方程组问题.这种算法无需对原问题做线性化处理,避免了复杂的线性化过程以及可能因此造成的误差,同时为求解非线性最小二乘跟踪问题提供了新的思路.根据最小二乘方法可以得到两条设计参数有微小变化的状态轨迹,基于这两条状态轨迹可进一步计算出系统关于设计参数的灵敏度,范德波振子作为数值算例验证了该方法在求解最小二乘跟踪问题以及计算非线性系统灵敏度时的有效性.      

Finite element analysis for consolidation in interaction between structure and saturated soil foundation

The consolidation analysis of interaction between structure and saturated soil foundation is discussed. With the use of substructure technique, the structure is condensed onto the interface of the soil, and then the consolidation governing equations to describe the interaction between soil and structure are derived, The solution with non-iterative algorithm is proposed in this paper. The pressure Master-Slave relation method is used to deal with the non-permeability conditions on soil boundaries. A numerical example is illustrated. Based on this paper, the interactive consolidation analysis between large structure and soil has been more practical.     

结构分析有限元程序JIGFEX和它的新发展

本文简要介绍了结构静、动力有限元分析程序ＪＩＧＦＥＸ的主要特色和它在土与结构相互作用、饱和土分析、动态子结构分析、非线性接触分析、高层建筑抗震分析、温度场与热传导分析、群论结构分析以及平稳与非平稳多点随机地震激励响应分析等多方面最新发展．     

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。     

波导本征问题分析的比例边界有限元方法

引入了一种求解波导本征值问题的高效而精确算法-比例边界有限元方法SBFEM (Scaled Boundary Finite Element Method).该方法的一个特点是只需在边界上进行离散,问题降低一维,使计算工作量大大减少;另一特点是所建立的控制方程为二阶常微分方程,可以解析地求解,使计算精度得到了保证.论文利用变分原理并通过比例边界坐标变换,推导了TE波和TM波波导的比例边界有限元频域方程以及波导动剐度方程,同时给出了波导动刚度矩阵的连分式解形式,通过引入辅助变量进一步得出波导特征值方程并求出波导本征值.以矩形、L形波导和叶型加载矩形波导的本征问题分析为例,通过与解析解及其他数值方法比较,结果表明,此方法具有精度高、计算工作量小的优点,而且随着连分式阶数增加收敛速度快.进一步分析了一类角切四脊正方形波导的传输特性.     

柱体扭转断裂问题的有限元对偶分析

St Venant扭转问题同样存在J积分对偶积分形式。采用基于最小势能原理的等参元可得J的下降；另一方面，采用基于最小作能原理的平衡元可得J的对偶积分的上限。本文构造了一个性能优越的罚平衡扭转杂交元，计算结果显示其可得到扭转问题应力强度因子的上限。     

有限元边坡稳定分析方法及其应用

本文介绍了一种基于有限元应力分析的边坡稳定评价方法,讨论了边坡稳定安全系数定义的物理意义,介绍了搜索最危险滑动面的广义数学规划命题和模式搜索方法,同时给出了该方法的计算结果与其它方法计算结果的对比算例以及该方法的应用实例。     

在线铁谱仪电磁装置磁场的有限元分析

针对在线铁谱仪中的一种新型的直流电磁装置,通过有限元分析揭示了其工作气隙中的磁场分布规律,采用正交设计方法确定了夹角方案条件下的最佳工作气隙尺寸,比较了磁场在夹角方案和倾角方案条件下的分布情况.结果表明,该装置在夹角方案条件下可以在油样流动方向上形成由弱到强的磁场分布,但效果不如倾角方案好.     

双金属板拉延成形的有限元分析

双金属板拉延成形同时包含几何非线性、塑性、接触、摩擦以及双金属板中组元金属力学性能差异等多种复杂因素。组元金属之间不均匀的塑性变形是导致组元金属在拉延过程中产生缺陷的主要根源。本文基于刚塑性有限元方法，对双金属板的拉延成形过程进行了有限元分析，揭示了组元金属的等效应变分布规律和厚向应变分布规律。本文的研究方法和结论可以为工艺参数的合理选择和优化提供参考和依据。     

Finite element analysis of wave propagation in fluid-saturated porous media

Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｔｒａｎｓｉｅｎｔｒｅｓｐｏｎｓｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｐｌａｙｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎａｌｏｔｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅｓｓｕｃｈａｓｔｒａｎｓｉｅｎｔｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ,ｎｏｉｓｅｃｏｎｔｒｏｌ,ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｂｉｏｔ［１］ｏｒｉｇｉｎａｌｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｉｎｆｌｕｉｄ＿ｓａｔｕｒａｔｅｄｐｏ…     

Finite element analysis on evolution process for damage microcrack healing

Based on the thermal kinetic and mass conservation, a series of controlling equations for the finite element are derived and related programs are developed to simulate the damage microcrack healing process controlled by surface diffusion. Two kinds of typical models for microcrack splitting are proposed, i.e., the grain boundary energy existing on the crack surface and residual stresses applying on the crack surface. And the conditions of microcrack splitting in the two models are given as a function of the microcrack aspect ratio. The microcrack with traction-free surfaces will directly evolve into a spheroid. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (19972053 and 59889101), and the National Outstanding Young Scientist Fund of China (59925104)