无单元法求解正交各向异性板自由振动问题

无单元法是一种新出现的数值方法。本文对无单元法的数学基础—滑动最小二乘法进行了详细的研究,推导了无单元法的形函数,并对一些关键问题,如权函数的选取,正交基函数,边界条件,数值实现方法等得出了研究结论。用无单元法研究了正交各向异性板的自由振动问题,由动力学变分原理和滑动最小二乘法导出了正交各向异性板的无单元法质量矩阵和刚度矩阵,编制了相应的计算程序,通过计算实例验证了该方法的有效性。     

无单元法分析薄板自由振动问题

提出了分析四边简支和四边固定薄板自由振动问题的无单元法，推导了无单元法的插值函数，从变分原理出发导出薄板自由振动的质量矩阵和刚度矩阵，编制了相应的计算程序，通过计算实例与其它方法的结果进行比较．数值结果表明无单元法具有一系列优点。     

求解不连续中厚板自由振动的微分容积单元法

基于区域叠加原理和微分容积法,发展了一种新型的数值方法——微分容积单元法,用以分析具有不连续几何特征的中厚板的自由振动。根据板的不连续情况将其划分为若干单元,在每个单元内用微分容积法将控制微分方程离散成为一组线性代数方程．在相邻的单元连接处应用位移连续条件和平衡条件,引入边界约束条件后得到一套关于各配点位移的齐次线性代数方程,由此可导出求解系统固有频率的特征方程。本文用子空间迭代法求解特征方程,并以开孔板、混合边界条件板和突变厚度板为例研究了方法的收敛性和计算精度。     

粘弹性Timoshenko梁的自由振动

本文利用Kelvin-voigt模型研究了粘弹性梁的横向自由振动.指出对于各向同性的粘弹性体,剪应力与角应变之间的关系应为: 据此导出了考虑剪切变形效应和转动惯量效应的粘弹性梁的运动微分方程,并求得了粘弹性简支梁固有频率的解析解。数值计算表明,对于高阶频率,剪切变形和转动惯量的影响均不可忽视,且剪切变形的影响更为重要。对于低阶频率,粘性的影响可以不加考虑。     

变截面欧拉梁自由振动分析的重采样微分求积法

采用重采样微分求积法求解了变截面欧拉梁的自由振动问题。推导了变截面梁的控制方程离散格式,采用重采样矩阵方法对边界条件进行处理,给出了变截面梁自由振动算法。采用本文方法对不同类型截面形式和不同边界条件的变截面梁进行自由振动分析,并和其他解法进行比较。计算结果表明,本文方法可以适用于不同变截面类型和不同边界条件,计算精度与解析解吻合良好,具有良好的收敛性能。在同等精度条件下网格点数少于现有计算方法。重采样转换矩阵边界处理方法相比于传统边界处理方法具有更快的收敛性能。     

自由单元法及其在结构分析中的应用

通过吸收有限元与无网格法的优点,提出了一种新的数值方法------自由单元法.此方法在离散方面,采用有限元法中的等参单元,表征几何形状和进行物理量的插值;在算法方面,采用单元配点技术,逐点产生系统方程.主要特点是,在每个配置点只需要一个和周围自由选择的节点而形成的一个独立的等参单元,因而不需要考虑物理量在单元之间的相互连接关系与导数连续性问题. 本文介绍强形式与弱形式两种自由单元法,前者直接由控制方程和边界条件直接产生系统方程,后者通过在自由单元上建立控制方程的加权余量式产生弱形式积分式,并通过像传统有限元法中的积分过程建立系统方程组.本文提出的方法是一种单元配点法,对于域内点为了获得较高的导数精度,需要采用至少具有一个内部点的等参单元,为此除了可使用各阶次的拉格朗日四边形单元外, 还 给出了七节点三角形等参单元,用于模拟较为复杂的几何形状问题.      

粘弹性地基上弹性梁的自由振动分析

本文将文克尔弹性地基梁模型中的弹簧用粘弹性元件来替代,建立了三元件文克尔粘弹性地基止粘弹性梁的静力和动力本构方程,求出了粘弹性地基上弹性梁的自由振动的级数解。并且对不同的振动情况进行讨论,最后给出了算例及结论。     

无单元法求解任意边界条件下的中厚板弯曲问题

本文用无单元法进行不同边界条件下的中厚板弯曲问题的求解,提出了构造其近似位移函数的三种形式的权函数,从变分原理出发导出了Mindlin-Reissner中厚板弯曲问题的控制方程,并编制了相应的计算程序。数值算例表明,无单元法用于中厚板弯曲问题是合理可行的,其结果具有相当高的精度。     

基于自然单元法的功能梯度中厚板自由振动分析

自然单元法是一种基于自然邻近插值的无网格数值方法．相对于移动最小二乘近似而言,自然邻近插值不涉及到复杂的矩阵求逆运算,也不需要任何人为的参数．基于一阶剪切变形板理论,利用自然单元法对功能梯度中厚板的自由振动进行了数值分析．功能梯度板材料属性沿厚度方向呈梯度连续变化．由于自然邻近插值函数具有Kronecker delta函数性质,可以直接施加本质边界条件．通过本文给出的方法,对不同梯度指数和不同边界条件的功能梯度中厚板的振动频率进行了计算．通过与文献结果的对比验证了自然单元法求解的有效性．     

阶梯式Timoshenko梁自由振动的DCE解

本文基于微分容积法和区域叠加技术提出了微分容积单元法（Differential Cubature Element method，以下简称DCE方法），并用之求解阶梯式变截面Timoshenko梁的自由振动问题。根据梁的变截面情况将其划分为几个单元，在每个单元内应用微分容积法将梁的控制微分方程和边界约束方程离散成为一组关于该单元内配点位移的线性代数方程组，将这些方程组写在一起并在各单元之间应用连续性条件和平衡条件得到一组关于整个域内各点位移的齐次线性代数方程组，这是一广义特征值问题，由子空间迭代法求解该特征问题便可求得系统的自振动频率。数值算例表明，本方法能稳定收敛、并有较高的数值精度和计算效率。     

无网格Galerkin法GPU加速并行计算及其应用

针对无网格Galerkin法计算耗时的问题,采用逐节点对法来组装刚度矩阵、共轭梯度法求解基于CSR格式存储的稀疏线性方程组,提出了一种利用罚函数法施加本质边界条件的EFG法GPU加速并行算法,给出了刚度矩阵和惩罚刚度矩阵的统一格式,以及GPU加速并行算法的流程图。编写了基于CUDA构架平台的GPU程序,且在NVIDIA GeForce GTX 660显卡上通过数值算例对所提算法进行了性能测试与分析比较,探讨了影响加速比的因素。算例结果验证了所提算法的可行性,并在满足计算精度的前提下,其加速比最大可达17倍;同时线性方程组的求解对加速比起决定性影响。     

Flapwise bending vibration analysis of double tapered rotating Euler–Bernoulli beam by using the differential transform method

In this study, the out-of-plane free vibration analysis of a double tapered Euler–Bernoulli beam, mounted on the periphery of a rotating rigid hub is performed. An efficient and easy mathematical technique called the Differential Transform Method (DTM) is used to solve the governing differential equation of motion. Parameters for the hub radius, rotational speed and taper ratios are incorporated into the equation of motion in order to investigate their effects on the natural frequencies. Calculated results are tabulated in several tables and figures and are compared with the results of the studies in open literature where a very good agreement is observed.     

基于自由振动的高速铁路简支梁桥共振与消振速度研究

为研究高速列车简支梁振动的问题,利用移动荷载列解析表达式的极限条件,推导了共振与消振速度。从自由振动幅值的角度,证明了桥梁振动主要由一阶模态贡献,且随着车速的增加,二阶模态对自由振动的贡献逐渐增大,而更高阶的模态贡献量可忽略不计。提高桥梁阻尼能起到抑振的作用,但会加剧车辆驶离桥后的自由振动。以20 m和32 m的两座简支梁桥为算例,从自由振动的幅值和相位出发,阐明了在特定的速度下,发生共振与消振的主要原因是轴载激励的自由振动之间出现叠加、抵消或抑制的现象。当共振速度与消振速度重合时,消振先于共振发生。比较移动轴载解析值与车-轨-桥耦合有限元模型的计算值,结果表明,移动轴载模型能有效预测桥梁的位移时程,但分析桥梁的加速度响应时,有必要考虑车-轨-桥之间的动力耦合效应。     

多孔功能梯度材料Timoshenko梁的自由振动分析

基于Timoshenko梁理论研究多孔功能梯度材料梁(FGMs)的自由振动问题.首先,考虑多孔功能梯度材料梁的孔隙率模型,建立了两种类型的孔隙分布.其次,基于Timoshenko梁变形理论,给出位移场方程、几何方程和本构方程,利用Hamilton原理推导多孔功能梯度材料梁的自由振动控制微分方程,并进行无量纲化,然后应用微分变换法(DTM)对无量纲控制微分方程及其边界条件进行变换,得到含有固有频率的等价代数特征方程.最后,计算了固定-固定(C-C)、固定-简支(C-S)和简支-简支(S-S)三种不同边界下多孔功能梯度材料梁自由振动的无量纲固有频率.将其退化为均匀材料与已有文献数据结果对照,验证了正确性.讨论了孔隙率、细长比和梯度指数对多孔功能梯度材料梁无量纲固有频率的影响.     

Nonlinear free vibration analysis of piezoelastic laminated plates with interface damage

This paper presents a nonlinear model for piezoelastic laminated plates with damage effect of the intra-layers and inter-laminar interfaces. Discontinuity of displacement and electric potential on the interfaces are depicted by three shape functions. By using the Hamilton variation principle, the three-dimensional nonlinear dynamic equations of piezoelastic laminated plates with damage effect are derived. Then, by using the Galerkin method, a mathematical solution is presented. In the numerical studies, effects of various factors on the natural frequencies and nonlinear amplitude-frequency response of the simply-supported peizoelastic laminated plates with interfacial imperfections are discussed. These factors include different damage models, thickness of the piezoelectric layer, side-to-thickness ratio, and length-to-width ratio.     

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.     

基于一种广义梁理论的弹性地基FGM简支梁自由振动解析解

基于一种扩展的n阶广义剪切变形梁理论(n-GBT),应用Hamilton原理,建立了以轴向位移、横向位移及转角为未知函数的Winkler-Pasternak弹性地基功能梯度材料(FGM)梁的自由振动方程,采用Navier法获得了弹性地基FGM简支梁自由振动的精确解。与多种梁理论预测结果进行比较,讨论并给出了GBT阶次n的理想取值;分析了梯度指标、跨厚比及地基刚度对FGM梁频率的影响。结果表明:本文方法有效且适用范围广,若采用高阶剪切梁理论模型,宜取n≥3的奇数;FGM梁的自振频率随材料梯度指标的增大而减小;随跨厚比的增加而增大,但当跨厚比大于20,跨厚比增加对频率的影响很小;随地基刚度的增加而增大,地基刚度足够大时,频率趋于收敛。     

Application of the quadrature method to flexural vibration analysis of a geometrically nonlinear beam

The quadrature method (OM) has been used in structural analysis only in recent years. In this study, OM is applied to flexural vibration analysis of a geometrically nonlinear beam. The numerical results by OM agree with the results by the finite element method. It is believed that this is the first attempt to solve a nonlinear dynamic problem by the quadrature method.     

板壳问题的三维无网格伽辽金直接分析法

对于板壳问题,共有三种数值模拟方案:线性或非线性的板壳理论、退化连续体方案和直接三维连续体方案。无网格法近似函数可具有C1甚至更高的连续性,便于在K irchhoff-Love理论中应用。但当各种无网格法用于M ind lin-R e issner板理论时,会遇到数值锁死的困扰。对比之下,三维连续体方案是最简单,最精确但并不常用的一种方案。无网格法近似函数具有高度光滑性,在板壳的厚度方向仅布置2~5层点就可以很好地捕捉此方向场的梯度,同时还可以在一定参数范围内避免剪切和体积锁死,在处理复杂本构关系、非线性板壳等问题中更是具有很大优势。本文采用无网格伽辽金法(EFG)和三维连续体方案分析了线性板壳问题,与有限单元法做了对比,并讨论了数值锁死等问题。