形成不同拉压允许应力Michell桁架的有限元方法

提出了形成具有不同拉压允许应力材料的Michell桁架的有限元方法。采用正交异性材料模型,以结点位置杆件的密度和方向作为设计变量,由结点位置的值插值得到有限单元内部的材料性质,材料在设计域内连续分布,这样避免了单元之间材料性质的突变,因此从根本上避免了单元铰接、棋盘格现象以及单元依赖性等数值计算不稳定性问题。提出了一种基于优化准则法的迭代算法,用以形成不同拉压允许应力材料的Michell桁架。由有限元分析得到结点位置处的主应力方向作为杆件方向,根据主应力方向的应变和材料拉压允许应力调整杆件密度。最后由结点位置的杆件方向形成Michell桁架中连续分布杆件。     

热压电桁架结构屈曲稳定性有限元分析

梁、板、壳组合结构在航空航天和控制系统中得到了广泛应用。一般来说,桁架结构是作为整体结构的支撑来使用的,综合考虑热、机械和电场作用有助于充分发挥材料性能。本文从力的平衡方程出发,考虑温度场、机械场和电场多场耦合的情况,推导出了热压电桁架结构的静力分析有限元模型,并在此基础上给出了在多场荷载共同作用下的结构屈曲稳定性求解的有限元方程。数值算例表明,多场耦合效应能够对结构的屈曲稳定性影响较大。合理利用温度的影响,可以提高结构工作性能,并为梁、板、壳组合结构的优化和控制提供了理论基础。     

利用有限元构造Michell桁架的一种方法

提出了一种新的形成Michell桁架的有限元分析方法.该方法以纤维增强正交各向异性复合板为材料模型,根据有限元分析结果调整各单元的纤维密度和方向.采用所提出的一种迭代格式,经过少量迭代,形成满足Michell准则的应变、内力场.该方法适于不同几何形状、支撑条件及荷载情况.算例结果表明该方法是有效的.     

The random variational principle in finite deformation of elasticity and finite element method

ＴＨＥＲＡＮＤＯＭＶＡＲＩＡＴＩＯＮＡＬＰＲＩＮＣＩＰＬＥＩＮＦＩＮＩＴＥＤＥＦＯＲＭＡＴＩＯＮＯＦＥＬＡＳＴＩＣＩＴＹＡＮＤＦＩＮＩＴＥＥＬＥＭＥＮＴＭＥＴＨＯＤＧａｏＨａｎｇ－ｓｈａｎ（高行山）（ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵ...     

基于随机有限元的非线性结构稳健性优化设计

结合结构优化技术和摄动随机有限元方法研究了非线性结构稳健设计问题。将结构稳健性优化设计问题构造为双目标优化问题。优化目标包含结构性能函数的期望值和标准差。约束函数的变异也给予考虑,并采用基于函数梯度的算法进行求解。为对具有路径相关特征的非线性结构性能及结构响应的平均值及标准差进行分析。本文采用缩减的随机变量,提出了基于增量法的摄动随机有限元计算格式。在此框架下,进一步提出以一般泛函形式表达的结构性能的平均值和方差及其灵敏度的计算格式。为显示方法的有效性。文中给出几个数值算例。     

演化算法求解桁架多目标拓扑优化的收敛速度研究

演化算法能够同时满足结构拓扑优化的前沿领域对全局优化、黑箱函数优化、组合优化和多目标优化的需求,但采用此类算法的可行性与必要性由其收敛性与计算效率决定。本文以应力约束桁架多目标拓扑优化问题为求解对象,致力于揭示在收敛性与计算效率两方面具有竞争力的算法。首先提出评估演化算法求解拓扑优化问题收敛性与计算效率的通用方法,采用穷举法严格推导了典型桁架多目标拓扑优化问题的全局最优解,并采用超体积指标定义了多层次收敛性能准则。最后通过比较研究得到不同收敛性需求下具有最快收敛速度的演化算法,并揭示了具有竞争力的算法机制。本研究为演化算法求解多目标拓扑优化问题的收敛速度奠定了理论基础,同时为高效求解实际工程拓扑优化问题提供算法支持。     

Reliability of elasto-plastic structure using finite element method

A solution of probabilistic FEM for elastic-plastic materials is presented based on the incremental theory of plasticity and a modified initial stress method. The formulations are deduced through a direct differentiation scheme. Partial differentiation of displacement, stress and the performance function can be iteratively performed with the computation of the mean values of displacement and stress. The presented method enjoys the efficiency of both the perturbation method and the finite difference method, but avoids the approximation during the partial differentiation calculation. In order to improve the efficiency, the adjoint vector method is introduced to calculate the differentiation of stress and displacement with respect to random variables. In addition, a time-saving computational method for reliability index of elastic-plastic materials is suggested based upon the advanced First Order Second Moment (FOSM) and by the usage of Taylor expansion for displacement. The suggested method is also applicable to 3-D cases. The project supported by the Research Grant Council of Hong Kong (HKUST 722196E, 6039197E), the National Natural Science Foundation of China(59809003) and the Foundation of University Key Teacher by the Chinese Ministry of Education     

Numerical performance of two formulations of truss topology optimization

The present paper studies topology optimization of truss structures in multiple loading cases and with stress constraints. It is pointed out in the paper that the special difficulty of adding bars and/or deleting bars from structure in the numerical algorithm of truss topology optimization is caused by the discontinuity of stress functions at the zero cross sectional area in the conventional formulation. In a new formulation, we replace the stress constraints by new constraints. The new constraints retain the same feasibility of the stress constraints, but are continuous in the closed interval up to zero cross sectional area. The new formulation enables us to solve topology optimization problem in the frame of the existing FEM software and mathematical programming techniques. Powell constrained variable metric method is applied to a number of examples of truss topology optimization. Numerical performances of the two formulations are compared. It is shown that in the conventional formulation the iteration of numerical algorithm may be blocked by discontinuity of the stress constraint and often stops at a nonoptimum solution. And in the new formulation the bar adding and bar deleting is done rationally and a local optimum, even the global optimum can be obtained by iteration. The project supported by the National Natural Science Foundation of China     

随机结构有限元分析的递推求解方法

提出了一种新的谱随机有限元分析方法——递推求解方法。该方法将随机结构的随机响应表示成非正交多项式展式,建立了和摄动法类似的一系列确定的递推方程,并通过确定性有限元方法对这些递推方程进行静力问题求解。算例表明,当随机量出现较大涨落时,计算结果相对于传统摄动法有不小的改进。     

The topological optimization for truss structures with stress constraints based on the exist-null combined model

A new exist-null combined model is proposed for the structural topology optimization. The model is applied to the topology optimization of the truss with stress constraints. Satisfactory computational result can be obtained with more rapid and more stable convergence as compared with the cross-sectional optimization. This work also shows that the presence of independent and continuous topological variable motivates the research of structural topology optimization. The project supported by the State Key Laboratory for Structural Analysis of Industrial Equipment, Dalian University of Technology.     

附加自由阻尼结构系统的有限元分析和拓扑优化设计方法研究

给出了一种适用于车身等复杂附加阻尼结构系统的有限元建模和动态特性分析方法,包括附加自由阻尼薄壁结构和附加阻尼材料粘弹性特性的有限元建模方法以及附加阻尼结构动态特性的有限元分析方法。在此基础上,又以强迫振动响应最小为优化设计目标,给出了一个附加阻尼结构的拓扑优化设计方法,包括优化设计问题的列式和适用的求解算法。通过对一个简单薄壁构件和一个车身地板上的附加阻尼结构的拓扑优化设计,验证了提出的有限元分析和拓扑优化设计方法的有效性。     

非确定性结构静动态特性稳健优化设计

本文研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求解。在考虑结构设计变量和其研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求 解. 在考虑结构设计变量和其他参数随机分布的前二阶矩的条件下,采用基于二阶摄动法的 随机有限元方法对结构响应的平均值和方差进行近似求解. 在摄动法有限元分析的框架下, 提出以一般函数形式表达的结构性能的平均值和标准差及其灵敏度的计算格式. 将结构 稳健性优化设计问题构造为双目标优化问题,优化目标包含结构性能函数的期望值和标准 差,约束函数的变异也给予考虑. 优化问题采用基于函数梯度的算法进行求解. 文中给出的数值算例显示了方法的有效性.     

广义节点有限元法

应用流形方法思想,通过引入广义节点的概念,对传统有限元方法进行改进,建立了可具有任意高阶多项式托值函数的广义节点有限元方法,计算结果表明,广义节点有限元方法较之传统有限元方法有较高的精度。     

桁架结构重分析的一种新方法

本文依据有限元的原理，建立了杆单元基本位移的计算方法，给出了在桁架结构拓扑优化重分析中的新方法，该方法将优化计算的结构设计变量与性态参数之间的关系以显式的形式表达出来，故在结构拓扑优化过程中，不需要再反复地用有限元方法对新产生的拓扑结构进行重分析，节省了大量的计算时间，同时，由于采用了相对基础结构的基本位移修正的方法，不仅减少计算的累积误差，也避免了由于可能出现的几何可变情况而使拓扑优化计算过程中     

Gauge finite element method for incompressible flows

A finite element method for computing viscous incompressible flows based on the gauge formulation introduced in [Weinan E, Liu J‐G. Gauge method for viscous incompressible flows. Journal of Computational Physics (submitted)] is presented. This formulation replaces the pressure by a gauge variable. This new gauge variable is a numerical tool and differs from the standard gauge variable that arises from decomposing a compressible velocity field. It has the advantage that an additional boundary condition can be assigned to the gauge variable, thus eliminating the issue of a pressure boundary condition associated with the original primitive variable formulation. The computational task is then reduced to solving standard heat and Poisson equations, which are approximated by straightforward, piecewise linear (or higher‐order) finite elements. This method can achieve high‐order accuracy at a cost comparable with that of solving standard heat and Poisson equations. It is naturally adapted to complex geometry and it is much simpler than traditional finite element methods for incompressible flows. Several numerical examples on both structured and unstructured grids are presented. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

预应力钢桁架结构分析中的摩擦滑移索单元

为精确模拟预应力钢桁架中连续长索在支撑点的滑动,本文创建了一种考虑摩擦力影响的新单元。被称为摩擦滑移索单元的新单元有三个节点,中间节点为支撑点。本文首先利用弹性悬链线的解析解,建立了弹性悬链线单元,并推导了单元两端点的张拉刚度。摩擦滑移索单元由两个弹性悬链线单元组合而成,根据支撑点处索的滑动方向、索力差、滑动摩擦力和滑移刚度调整两索段的原长,使支撑点两侧的索力满足给定的摩擦关系。算例验证了新单元算法的正确性和高效性,对设计的预应力钢桁架的分析,显示了张拉过程中及使用荷载作用下新单元在结构分析中的应用。新单元可直接用于常规的有限元分析,研究在工作状态或施工中存在连续长索滑移的索结构。     

随机有限元方法在断裂分析中的应用

在幂律非线性随机有限元基础上,以单边裂纹板为例给出计算含量钢继裂参数,J（J积分）,δ（裂纹张开位移）,Δ（由裂纹引起的裂纹板上下底面相对位移）,θ（由裂纹引起的裂纹板上下底在相对转角）及其对基本随机变量变化率的方法和分析算例。     

一种新的计算各向异性材料裂纹尖端应力强度因子杂交元法

利用有限元特征分析法研究了平面各向异性材料裂纹端部的奇性应力指数以及应力场和位移场的角分布函数,以此构造了一个新的裂纹尖端单元。文中利用该单元建立了研究裂纹尖端奇性场的杂交应力模型,并结合Hellinger-Reissner变分原理导出应力杂交元方程,建立了求解平面各向异性材料裂纹尖端问题的杂交元计算模型。与四节点单元相结合,由此提出了一种新的求解应力强度因子的杂交元法。最后给出了在平面应力和平面应变下求解裂纹尖端奇性场的算例。算例表明,本文所述方法不仅精度高,而且适应性强。     

Nonlinear quasi-conforming finite element method

The nonlinear quasi-conforming FEM is presented based on the basic concept of the quasiconforming finite element. First, the incremental principle of stationary potential energy is discussed. Then, the formulation process of the nonlinear quasi-conforming FEM is given. Lastly, two computational examples of shells are given.     

平板网架结构分析的超级有限元法

本文给出一种二维矩形超级单元，用以分析平板网架结构，其做法是将大型平板网架结构离散成一系列矩形超级单元，考虑弯曲、剪切、挤压、拉压、翘曲等多种非经典变形效应，采用构件自由度向超级元自由度的转换把大型多构件问题的求解变为二维问题的求解，可大大减少未知量，又能保证精度，并可方便地与一般有限元软件连接。