非线性有限元方程组求解器的设计与实现

本文主要介绍HAJIF-Ⅲ系统的非线性有限元方程组求解器的设计与实现。求解器由牛顿法、修正牛顿法、BFGS法、DFP法、割线牛顿法、弧长法和当前刚度参数、线性搜索、加速收敛等方法和措施混合组成,可由用户灵活控制,选定解法;也可由系统依据所分析的问题的特征自适应选择解法和载荷步长,有较好的自适应特性和高效可靠的优点。HAJIF-Ⅲ系统的应用实践表明:该求解器使用方便,计算效率高,结果可靠。     

非线性度对修正双步长显式法及常用逐步积分法的影响

为了掌握非线性度对逐步积分法的影响,研究了几种积分算法在不同非线性度振动系统中的响应。通过3个典型非线性算例,对修正双步长显式法、蛙跳式中心差分法、Newmark法、广义α法和精细积分法的计算精度和稳定性能等进行了比较。结果表明:非线性度对广义α法、精细积分法和Newmark法的稳定性有影响;高非线性度对Newmark法的计算稳定性影响最大;时间步长越小,算法精度和计算量越高;相同小步长情况下,精细积分法的精度最高,而修正双步长显式法的计算量最小;在时间步长较大时,低非线性度会引起精细积分法不稳定,修正双步长显式法的精度最高,修正双步长显式法在非线性系统中具有很强的鲁棒性。     

无限平板中的周期裂纹问题的数值解法

对无限平板中的周期裂纹问题,本文中提出了一种以裂纹表面分布载荷为未知函数的Fredholm积分方程解法。针对周期裂纹为无限多条这一特殊情况,本文对积分方程解法作了近似计算。为了说明本方法,文中计算了两个实例。计算结果表明,本文提供的方法有很好的准确性。     

考虑破坏时复合材料结构的分析

本文考虑复合材料结构发生局部破坏时的分析问题,这是一个非线性问题。本文引入带步长限制的变步长增量载荷方案作为解决这一问题的工程途径。用有限元法作为结构分析的基本手段。经试验结果对比,初步表明该方案是可行的。     

冲击波载荷作用下拉－弯耦合梁的瞬态响应分析

采用大挠度弹性理论和中心差分法分析了拉压变形和弯曲变形之间存在弹性耦合的非线性薄梁结构对冲击波载荷作用的大挠度瞬态响应。为了充分描述冲击波载荷的强度大小，文中应用了冲击波载荷的冲量概念。通过进一步研究模态数、时间步长、拉－弯耦合、拉／弯刚度比、冲击波冲量对挠度响应的影响，得到了一些有用的结论。     

冲击波载荷作用下拉－弯耦合梁的瞬态响应分析

采用大挠度弹性理论和中心差分法分析了拉压变形和弯曲变形之间存在弹性耦合的非线性薄梁结构对冲击波载荷作用的大挠度瞬态响应。为了充分描述冲击波载荷的强度大小，文中应用了冲击波载荷的冲量概念。通过进一步研究模态数、时间步长、拉－弯耦合、拉／弯刚度比、冲击波冲量对挠度响应的影响，得到了一些有用的结论。     

精细积分法在迷宫密封转子系统非线性动力学特性计算中的应用

基于Muszynska密封力模型,建立了迷宫密封转子系统的非线性动力学模型,将精细积分法推广应用于非线性情况,计算了迷宫密封不平衡转子系统的动力学特性,依据Floquet理论讨论其分岔特性。研究表明：在2^N类算法计算指数矩阵基础上提出的精细积分法和传统的数值计算方法相比,其精度高,在分析中通过取不同步长计算对比,表明该方法在某些情况下可以采取较大时间步长,有效提高了计算速度。     

配点法解非线性结构的增量动力平衡方程

本文提出了一个用配点法求解增量动力平衡方程的方法,在本法中取三次 B 样条函数作试函数,计算公式简单明了,计算工作量较它法为少.在分析非线性振动问题中,时间步长的改变会引起计算工作的大量增加,本文引入一个“动力平衡迭代法”,采用此法时,时间步长可不再改变,计算工作量可进一步大量减少。     

雨载作用下浮顶结构有限元分析的载荷修正法

浮顶结构的受力与变形之间存在着非线性的耦合关系,这给计算分析带来了很大的麻烦。为了解决这一问题,本文提出了单盘式浮顶结构在雨水载荷作用下有限元分析的载荷修正计算方法。通过对浮顶结构力学模型的分析,建立了浮顶结构载荷与单盘挠度之间的关系式,并基于这一关系式给出了浮顶结构有限元分析的载荷修正法和相应计算方案。载荷修正法的基本思想是,首先利用有限元方法对浮顶结构进行几何大变形非线性分析,然后通过迭代修正来调整载荷大小,使得计算得到的载荷与挠度满足给定关系式,最终获得浮顶结构的变形与受力情况。最后,将计算结果与试验结果进行了比较,验证了本文提出的计算方法的有效性和可靠性,为浮顶结构的进一步有限元分析打下基础。     

运用有限元方法确定T型管节点的极限载荷

本文应用ADINA程序对支管轴向受拉和轴向受压的T型管节点模型实例进行了非线性有限元计算.在轴向受压的工况计算中,除考虑材料的物理非线性外,还考虑了几何非线性问题.根据对计算结果的分析,确定了两种工况的极限载荷,以及支管和主管在不同载荷步下的塑性变形区的扩展情况.     

薄板小挠度弯曲问题中的全息干涉－差分混合解法

本文把全息干涉－差分混合解法用于薄板小挠度弯曲问题，试验实例表明，所得结果精确度较高，且计算简单，使用方便．     

平面编织混杂铺层层合板单钉连接拉伸性能

对平面编织混杂铺层层合板单钉连接结构的挤压性能进行试验研究,分析了铺层比例和试件尺寸对其挤压强度和破坏形式的影响.基于ANSYS平台建立了该层合板单钉连接结构的三维损伤累积有限元模型,对其非线性挤压破坏行为进行了数值计算,预测了初始挤压破坏载荷;同时提出并验证了适合该类型层合板的损伤判据和衰减准则.计算得出的初始挤压破坏载荷与试验结果吻合良好,说明该模型能准确预测层合板单钉连接的初始挤压破坏载荷.     

Hamilton体系下矩形薄板受抛物线压力载荷的屈曲分析

针对四边简支矩形薄板在两对边相向的非线性分布压力下的面内应力分布以及屈曲问题,应用弹性力学的Hamilton体系和Galerkin法进行了研究.基于弹性力学的平面矩形域Hamilton体系,根据辛本征向量展开解法,得到了对应于零本征值和非零本征值的含待定常数的实数型面内应力分布通解.依据必须满足的应力边界条件,导出了矩形薄板在抛物线分布载荷下的面内应力分布.考虑到应力分布表达式的复杂性,用完全的解析方法得到屈曲载荷是不可能的.因此,运用基于虚功原理的Galerkin法,根据四边简支矩形薄板弯曲的位移边界条件,给出了不同长宽比矩形薄板受抛物线分布载荷的屈曲临界载荷.通过与已有文献中DQ法给出的数值计算结果比较,表明了本文求解方法的有效性和正确性.基于所给出的结果,可望为解决矩形薄板在非线性分布载荷下的面内应力分布以及屈曲问题提供一种新的研究方法.     

基于正交基无单元Galerkin法和非线性规划的安定分析方法

基于安定分析的下限定理,用正交基无单元Galerkin法建立了交交载荷作用下理想弹塑性结构安定分析的下限计算格式.在给定载荷域的载荷角点所对应的载荷作用下,采用正交基无单元Galerkin法计算相应的虚拟弹性应力场.并且利用结构在正交基无单元Galerkin法弹塑性增量分析中平衡迭代结果计算得到自平衡应力场基矢量,然后由这些基矢量的线性组合模拟自平街应力场.安定分析问题最终被归结为一系列未知变量较少的非线性数学规划子问题,通过复合形法求解.算例表明该方法的计算结果是令人满意的,并且对初始复合形顶点和用于构造自平衡应力场基矢量的载荷增量是非常不敏感的.     

等步长高次多项式插值加速度法的局限性

动力时程分析中,在几个相邻的等长时间步之间对加速度的变化规律用多项式插值来描叙,经过推导可求解得到整个时间域上的动力方程的解答.根据泰勒展开原理分析表明,随着所取多项式次数的增加,收敛精度增高,计算步长适当放大,截断误差仍能在容许的范围之内.但是随着所取多项式次数增大,其算法的稳定域减少, 计算步长受到了此小稳定域的限制,收敛精度不再是所取计算步长宽度的决定因素,稳定域大小成了所取计算步长宽度的决定因素.因为一旦步长超出了此小稳定域范围,虽然在每个时间步内的截断误差不大,其传递的误差却会被放大到很多倍,最后导致计算结果严重失真.分析结果显示,多项式插值次数采用到步长的三次时,与一次多项式插值(对应线性加速度法)和二次多项式插值(对应二次加速度法)的分析方法相比,算法的稳定域急剧变窄,为h/T≤0.0099(h为计算步长,T为结构的固有周期),此小稳定域限制了计算步长的选择范围,其收敛精度很高因此可放大计算步长的优势无法施展.本文推导了三次加速度法的求解过程,进行了一个理想单自由度系统的动力时程分析计算,验证了结论的正确性.表明同时考虑收敛精度和稳定域来确定计算步长的宽度时,二次加速度法为优.     

完整齿轮副的三维有限元应力分析

本文分析的三维有限元模型是一完整的齿轮副,不必假设切开表面上的力与位移边界条件,也不必在进行齿轮的应力分析前预估齿牙上作用的载荷。为了减少数据准备及计算工作量,用接触线代替了啮合齿间的接触面,把非线性接触问题简化为线性接触问题。利用这里所介绍的办法,可以得到齿向载荷分布结果、齿间载荷分配结果、以及完整齿轮副任一区域内的位移及应力结果。     

基于CFD/CSD耦合含间隙三维全动舵面气动弹性研究

发展了一种考虑间隙非线性的三维计算流体力学/计算结构力学(CFD/CSD)耦合气动弹性算法。结构分析采用虚拟质量法,即把含间隙的非线性系统划分为三个线性子系统,采用虚拟质量模态作为统一的坐标架去表示各线性子系统。结果表明,虚拟质量法计算的线性子系统模态和动力学响应均与有限元直接计算结果一致。结构运动方程积分采用自适应时间步长法,即当线性子系统发生切换时,通过时间步长的自适应使得切换点可以准确捕捉。切换点和自适应时间步长的搜索采用二分法,计算表明二分法能有效地捕捉切换点并保证了数值稳定性。在此基础上与非定常CFD技术结合,在跨音速条件下对三维全动舵面开展气动弹性响应研究。计算表明结构在低于和高于线性颤振速度下均会形成极限环振荡。由于间隙非线性的影响,跨音速极限环的临界速度比线性颤振的跨音速凹坑下降了20%。     

非线性复合材料的一种杂交应力有限单元方法

建立了非线性复合材料模型的杂交应力有限元方法,并在材料主坐标系下提出直接方法计算单元非线性应力场,然后由此计算单元切线刚度矩阵和剩余载荷并转换到整体坐标系下,利用Newton-Raphson方法进行结构的位移迭代。在Hahn-Tsai非线性复合材料杂交元分析中,由位移和应力方程所导出求解单元非线性应力场的简单迭代法是条件收敛的,对较大载荷当迭代位移增加到一定程度以后无法得到应力收敛解。但是,利用本文提出的直接法由于完全避免了非线性应力场迭代,不仅很好地解决了这一问题,而且极大地提高了计算效率。数值算例说明该方法是确实有效的。     

波纹环形板在轴对称任意载荷作用下的非线性弯曲

本文以正交异性板理论为基础,提出了一种波纹环形板非线性弯曲的Cheby-shev级数解法,推导出具有硬中心的波纹环形板在任意轴对称载荷作用下的弹性特征方程.文中计算了几个典型的算例,数值结果表明本文的方法对目前文献中常见的方法有一定的改进和推广.     

含高阶余项的非线性动力系统数值计算法

建立了一种求解非线性动力系统高精度数值计算的新方法,重构了等价的非线性动力系统方程,该方程考虑了非线性函数的任意高阶项,并给出了该方程的Duhamel积分表达式,在时间步长内用Newton-Raphson法进行数值迭代求解,该方法能连续满足微分方程而不只是在离散的步长端点满足方程,从而打破了传统的Euler型有限差分法。计算实例表明,该方法计算精度高于传统的Runge-Kutta,Newmark-β和Wilson-θ等方法。