二维含裂纹结构与声耦合问题研究

应用分形有限元方法结合边界元方法研究了二维含裂纹结构和声耦合问题.采用二级分形有限元方法对含裂纹的弹性结构体进行离散处理,这样可以使得自由度数大大地减少;无限大外域声场的计算使用边界元方法,可以自动满足无穷远辐射条件.数值仿真算例结果表明:结构声耦合系统的共振频率随着裂纹深度的增加而下降;裂纹附近的声场所受的影响较为明显.     

截锥型薄壁结构声振耦合动力特性分析

采用大型通用软件ANSYS,建立截锥型薄壁结构的实体有限元动力学模型,通过与相关实验数据的对比验证了模型合理性。据此,利用无限元模拟自由声场边界,建立声场-截锥型薄壁结构的直接耦合有限元动力学模型。通过数值仿真分析研究了声场中截锥壳结构的振动特性,并讨论了声振动对结构动力特性的影响。研究结果表明:数值仿真结果和截锥壳声振实验数据比较一致。在考虑声场影响后发现:结构位移共振频率值大多有所降低,结构位移共振频率数量显著增多;在低频下,结构位移响应峰值在声场的影响下明显增大;在高频下则明显减小。     

带形域内裂纹对SH波散射问题的边界元解

采用边界元法研究含裂纹的带形域各向同性弹性体，裂纹对SH波的散射问题，推导出带形域情况下不同边界条件的各种Green函数，导出了以裂纹张开位移为未知数的边界积分方程，计算出表面散射场和总位移．算例表明，利用所提供的格林函数和边界元格式解答带形域的散射问题比较方便．     

带形域内裂编译地SH波散射问题的边界元解

采用边界元法研究含裂纹的带形域各向性弹性体，裂纹对ＳＨ波的散射问题，推导出带形域情况下不同边界条件的各种Ｇｒｅｅｎ函数，导出了以裂纹张开位移为未知数的边界积分方程，计算出表面散射场和总位移，算例表明，利用所提供的格林函数和边界元格式解答带形域的散射问题比较方便     

基于拓扑优化的声学结构材料分布设计

本文针对结构的声学设计问题进行研究,通过优化两种不同的材料在结构设计域内的拓扑分 布来最小化谐振结构所产生的声场中指定参考面/参考域内的声压。在研究中假定结构为线弹性小变 形结构,材料阻尼为Rayleigh阻尼,声学介质为无粘、可压缩、小扰动流体。对结构响应采用有限 元格式进行计算,对声场采用基于Helmholtz积分的边界元格式进行计算,由于声场在无穷远自由边 界的无反射条件在边界积分中能自动得到满足,该格式特别适合于具有开放边界的声场计算。建立 了结构有限元-声场边界元格式的耦合系统拓扑优化模型,导出了耦合系统敏感度分析的一般格式及 伴随格式。数值算例验证了所提出的结构-声学耦合系统优化方法的有效性和可靠性,并揭示了基于 声学准则的拓扑优化结果的有关特性 关键词边界积分,结构声学耦合系统,拓扑优化,敏感度分析,伴随方法     

pFFT快速边界元方法模拟三维声散射

研究了用pFFT快速边界元方法模拟声散射问题的关键技术。采用Burton—Miller方程消除了声学边界元方法中外问题解的不唯一现象。为此,文中研究了采用常量元时该方程中超奇异积分的计算方法。最后,通过对平面声波的刚性圆球声散射的数值模拟,验证了建立的声学pFFT快速边界元方法。     

基于有限元方法对人工径向裂纹薄圆板振动辐射声场的研究

在有限元模态分析的基础上，提取了含人工径向裂纹的周界固定薄圆板各单元的相关参数，并将瑞利积分离散化后进而计算了裂纹圆板辐射声场的轴向声压分布和r=0．5m球面上声场指向性。结果表明，径向裂纹不仅使模态裂解为关于裂纹的对称模态和反对称模态，而且使声场分布有显著的变化。通过完整圆板辐射声场计算验证了本文提出方法的正确性。可用于求解任意形状穿透裂纹薄圆板辐射声场的计算。     

辛奇异元方法与含裂纹结构加固问题分析

本文借助于辛体系本征解展开原理和辛共轭正交关系,提出一种辛奇异元模型.并结合有限元软件形成一种新的数值方法和对含裂纹结构分析思路.其最大优势在于:直接给出裂纹的应力强度因子;不受单元网格密度的局限;不受路径的影响.利用该奇异元对含裂纹结构加固问题进行分析,发现了一些特殊的规律.为含裂纹结构加固技术提供依据.     

基于混凝土裂纹数字图像的有限元网格生成

通过结合数字图像处理技术、边界矢量化技术与有限元网格自动生成技术,提出了基于数字图像的混凝土构件裂纹有限元分析方法。本文以混凝土裂纹为研究对象,先采用Canny算子提取裂纹边缘,对中断的边缘和伪边缘利用顺序边缘连接算法进行连接和剔除;然后,通过矢量化技术将裂纹边界拟合成小线段;最后在矢量化边界的基础上,利用自动生成技术生成裂纹结构的有限元网格,实现对裂纹区域受力情况的分析。实验结果表明:本文提出的方法可实现混凝土结构裂纹的图像监测与力学分析的一体化,能够大幅提高现役结构的评估速度和效率。     

一种模拟大规模高频声场的双层奇异边界法

大规模高频声场的数值模拟是一项非常有计算挑战性的课题.为了解决传统边界型离散方法由于全局支撑的满阵限制,不易应用于大规模高频声场模拟的计算瓶颈,本文提出了一种用于模拟大规模高频声场的双层奇异边界法.在该方法中,通过引入双层结构,细网格上的全局支撑的满阵被转化为局部支撑的大规模稀疏矩阵,传统奇异边界法模拟大规模问题时所面临的高计算量以及过度存储需求遂得以解决.其次,双层奇异边界法仅通过粗网格评估远场作用,且独立于特定的插值核函数.相较于快速多级方法,该方法具有更强的适应性和灵活性,且多层结构使该方法具有一定的预调节作用,非常适合求解具有大规模、高秩、高条件数特点的高频波矩阵.在其后的散射球模型算例中,双层奇异边界法配置10万个节点,成功模拟了无量纲波数高达160的声散射问题.在对于人头模型的声散射特性分析中,双层奇异边界法比COMSOL软件计算速度快了约78.13%.当配置8万个节点时,双层奇异边界法成功模拟了频率高达25 kHz的工况,该频率已远远超出了人耳的听力极限.     

ANALYSIS ON ACOUSTICAL SCATTERING BY A CRACKED ELASTIC STRUCTURE

The acoustical scattering by a cracked elastic structure is studied. The mixed method of boundary element and fractal finite element is adopted to solve the cracked structure-acoustic coupling problem. The fractal two-level finite element method is employed for the cracked structure, which can reduce the degree of freedoms (DOFs) greatly, and the boundary element method is used for the exterior acoustic field which can automatically satisfy Sommerfeld‘s radiation condition. Numerical examples show that the resonance frequency is lower with the crack‘s depth increase, and that the effect on the acoustical field by the crack is particularly pronounced in the vicinity of the crack tip. This mixed method of boundary element and finite element is effective in solving the scattering problem by a cracked structure.     

A novel singular finite element of mixed-mode crack problems with arbitrary crack tractions

A novel singular finite element is presented to study cracked plates with arbitrary traction acting on crack surfaces. Firstly, the analytical solution around crack tips is determined using the symplectic dual approach. Subsequently, the solution is used to develop a novel singular finite element, which depicts accurately the characteristic of singular stresses field near crack tips. And the novel element can be applied to solve cracked plates, and both Mode I and Mode II stress intensity factors can be determined directly and accurately. Lastly, two numerical examples are given to illustrate the present method.     

扩展边界元法分析切口和裂纹结构应力场的准确性

在线弹性理论中,切口/裂纹结构尖端区域存在奇异应力场,数值方法不易求解。本文建立的扩展边界元法(XBEM)对围绕尖端区域位移函数采用自尖端径向距离 的渐近级数展开式表达,其级数项的幅值系数作为基本未知量,而外部区域采用常规边界元法离散方程。两者方程联立求解可获得切口和裂纹结构完整的位移和应力场。扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般的切口和裂纹结构应力场分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的应力场。作者研制了扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明扩展边界元法求解切口和裂纹结构应力场的准确性和有效性。     

内部压力作用下矩形板中源于椭圆孔的分支裂纹应力强度因子的一种数值分析

应用一种边界元方法来研究内部压力作用下矩形板中源于椭圆孔的分支裂纹。该边界元方法由Crouch与Starfied建立的常位移不连续单元和笔者最近提出的裂尖位移不连续单元构成。在该边界元方法的实施过程中,左、右裂尖位移不连续单元分别置于裂纹的左、右裂尖处,而常位移不连续单元则分布于除了裂尖位移不连续单元占据的位置之外的整个裂纹面及其它边界。本数值结果进一步证实这种数值方法对计算有限大板中复杂裂纹的应力强度因子的有效性,同时该数值结果可以揭示裂纹体几何对应力强度因子的影响。     

拉伸载荷作用下单边缺陷-边裂纹应力强度因子研究

利用杂交位移不连续法研究拉伸载荷作用下矩形板中单边缺陷-边裂纹(半圆孔裂纹和半方孔裂纹)问题,给出了这三种平面弹性裂纹问题的应力强度因子的详细数值解。通过半圆孔裂纹问题和半方孔裂纹问题与单边裂纹问题的应力强度因子的比较,发现半圆孔和半方孔对单边裂纹有屏蔽影响。此外,本文的研究结果表明,杂交位移不连续法用于分析平面弹性有限体中复杂裂纹问题的应力强度因子简单且又准确。     

Transient dynamic responses of a cracked solid subjected to in-plane loadings

Transient dynamic responses of an elastic cracked solid subjected to in-plane surface loadings are investigated in this study. Two vertical cracks, a surface-breaking crack and a sub-surface crack, are considered. The frequency responses of the plane strain problem are calculated by the computational mechanics combining the finite element method with the boundary integral equation. The finite element method is used for the near-field enclosing the crack, while the boundary integral equation is applied for the far-field to satisfy the Sommerfeld radiation condition. The transient responses are then obtained using fast Fourier transform. Surface displacements, crack opening displacements, and dynamic stress intensity factors are presented to show the significant effects of the cracks. The interaction between the elastic waves and the cracks as well as the mode conversion phenomena can be observed and understood through the numerical simulations.     

应用分形有限元方法于外域声场计算

 应用二级分形有限元方法计算了外域声场. 用一人工边界把外域声场分为两 部分，人工边界以内使用常规有限元方法，人工边界以外的无限大区域使用分形有限元方法. 使用分形有限元方法的优点是：一方面形成几何自相似网格使得相邻层之间的单元刚度矩阵 和质量矩阵具有非常简单的关系；另一方面引用自动满足无限远辐射条件的全域插值函数把 节点自由度变换为一组广义坐标，因而计算量可以大大减少. 数值算例表明：该方法对于计 算无限大外域声场是有效的.     

一种随机裂纹结构的裂纹扩展路径分析方法

裂纹结构中存在大量不确定性因素,如裂纹长度、材料性质、外部载荷等,裂纹扩展路径的不确定性分析对研究随机裂纹结构损伤和断裂的力学特性并预测其性能及可靠性具有重要意义。本文提出了一种适应于混合载荷模式下随机裂纹结构的裂纹扩展路径分析方法。该方法考虑了裂纹长度、材料性质和外部载荷等的随机性,并通过蒙特卡洛方法对随机参数空间进行采样。采用比例边界有限元方法计算结构应力强度因子,进而模拟单次裂纹扩展路径。在此基础上,通过概率分析方法获得随机裂纹结构中裂纹扩展路径的统计特性。最后给出了两个数值算例验证了本文方法的有效性。     

非网格重剖分模拟宏观裂纹体的扩展有限单元法(2:数值实现)

探讨了扩展有限单元法的具体实现过程,包括裂纹体几何结构的拓扑分析、广义节点的选取及详细的单元数值计算。并针对前文提出的扩展有限单元平衡方程的统一矩阵实现模式,提出了采用虚拟层合元的思想来处理被裂纹横贯单元的子域积分问题,自然地解决了原方法中由于特殊的位移插值场在裂纹两侧不连续造成的单元刚度阵求解困难。同时依托比较成熟的虚拟层合单元法,可以方便地考虑域内及裂纹面上分布载荷影响。此外,一、二维算例较高精度的数值结果验证了本文算法的有效性和精度。