非线性复合材料杂交应力有限元的有效迭代方法

推导了面内剪应力应变关系非线性的复合材料的杂交应力有限元列式,给出了位移迭代和应力迭代的策略和步骤.提出一种非线性应力场迭代格式的改进方案,不仅提高了收敛速度,而且克服了大载荷下简单迭代法循环迭代而无法收敛的关键问题,使得所提出的非线性杂交应力元方法几乎对任意大载荷都能够收敛.数值算例表明该方法是确实可行的.     

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。     

杂交有限元构造的正交假设应力场方法

分别对各向同性和正交各向异性材料的假设应力场进行正交化并形成相应的杂交元,由于避免了柔度矩阵求逆运算,从而提高了杂交元分析效率。对各向同性材料杂交元直接利用柔度矩阵特征向量导出了正交假设应力场,其正交性不依赖于材料,因而具有更好的适用性。此外由于不需要借助本征变形模式进行迭代而避免了复杂的数值计算。对于正交各向异性材料提出了一种材料矩阵分裂法对假设应力场进行正交化,研究结果表明,所得的正交应力场只与材料两个主方向弹性模量的比值有关,因而不受横向泊松效应的影响。采用本文方法对2D-4节点单元和3D-8节点单元的常用应力场进行正交化,给出了十分简洁的结果。     

一种抑制杂交元零能模式的假设应力场方法

基于杂交元位移场直接导出可以表示单元任意变形的简单变形模式,同时指出与所有假设应力模式正交的非零变形为零能机动模式,从而可以用简单变形模式方便地识别和抑制单元零能模式.在此基础上利用初始应力模式与简单变形模式的正交性提出一种假设杂交元应力场的有效方法,结合等函数法应力模式组成初始应力模式,不仅可以根据实际问题需要灵活地假设不同分布规律的应力场,而且所形成杂交元可以完全避免零能机动模式.在数值算例中采用本文方法分别形成了2D-4节点杂交元和3D-8节点杂交元的多种假设应力场,表明本文所提出方法是有效可行的.     

正交各向异性复合材料板的非线性弹性应力应变关系

1.引言复合材料与普通金属材料相比,除了其细观的非均质性和宏观的各向异性外,还具有明显的物理非线性,且在加载过程中一般无明显的屈服点,特别是由正交各向异性单层板叠压成型的层合板即使在低应力水平时,也有明显的非线性,尤其以剪切非线性为突出。因此,传统的线弹性虎克定律和塑性理论的本构模型已不能有效地描述材料的力学行为,也不能给出合理的强度指标。随着复合材料应用领域的开拓和深化,为了保证结构的安全     

含一个无外力圆柱面带转动的三维杂交应力元

根据一种修正的余能原理,建立了一类具有一个无外力圆柱表面及结点含转动自由度的8 结点新型三维杂交应力元. 单元边界位移场选择二次位移插值函数,且与相邻元协调;单元内假定应力场满足以柱坐标表示的平衡方程及圆柱面上无外力边界条件. 数值算例表明,这种特殊杂交应力元在相当粗的网格下即能十分准确地分析圆弧形槽口附近及曲梁的三维（及二维）的孔边应力分布.      

简化杂交应力元H阵的一种方法

本文建议一种简化杂交应力元H阵的方法,可以有效地减少H阵的生成和求逆的计算时间。     

杂交元零能模式抑制的改进基本变形模式方法

基本变形模式方法是构造杂交元假设应力场的一种有效方法,但只给出了识别零能模式的必要条件.论文指出基本变形模式方法由于没有考虑耦合影响而存在应用上的局限,在此基础上利用柔度矩阵的正定性给出了判别零能机动模式的充要条件,并且通过内积向量无关性进一步完善了假设杂交元应力场的基本变形模式方法,可以适用于基本变形模式之间耦合的任意形状单元.在数值算例中采用论文方法分别形成了2D-4节点任意形状杂交元的多种假设应力场,结果表明论文所提出方法是有效可行的.     

表面裂纹平板应力强度因子的杂交应力元-线弹簧模型方法

本文采用基于杂交应力元和线弹簧模型相结合的方法,计算表面裂纹平板的应力强度因子。结果表明,本文解和三维有限元解吻合很好,与基于位移元和线弹簧模型相结合的解相比,具有更高的精度和较宽的适用范围。     

The stress subspace of hybrid stress element and the diagonalization method for flexibility matrixH

The following is proved: 1) The linear independence of assumed stress modes is the necessary and sufficient condition for the nonsingular flexibility matrix;2. ) The equivalent assumed stress modes lead to the identical hybrid element The Hilbert stress subspace of the assumed stress modes is established So, it is easy to derive the equivalent orthogonal normal stress modes by Schmidt’s method Because of the resulting diagonal flexibility matrix, the identical hybrid element is free from the complex matrix inversion so that the hybrid efficiency is improved greatly The numerical examples show that the method is effective.     

构造杂交应力单元的柔度矩阵H对角化方法

证明了杂交元柔度矩阵 H非奇异的充分必要条件是假设应力模式线性无关 ;以及等价应力模式形成相同的杂交元。在此基础上建立了假设应力模式的 Hilbert子空间 ,从而可以利用 Schmidt方法简单地得到等价的正交应力模式 ,实现了柔度矩阵 H对角化 ,使得杂交元形成过程中完全避免了繁杂的矩阵求逆运算 ,提高了杂交元分析的计算效率 ,特别在柔度矩阵不容易显式求逆的材料非线性分析中更具有实际意义     

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。     

A study of the hybrid element methods for stress analysis

A new functional which forms the basis of an improved hybrid element formulation is proposed. The variables for the functional include stresses, strains and displacements, and the displacements and stresses are further decomposed into two parts respectively. The proposed new formulation appears to be particularly suitable for improving conforming models.The relationship between the new hybrid elements and the conventional displacement elements are also explored in this paper.     

基于新型裂尖杂交元的压电材料断裂力学研究

提出了一种裂尖邻域杂交元模型,将其与标准杂交应力元结合来求解压电材料裂纹尖 端的奇性电弹场和断裂参数的数值解．裂纹尖端杂交元的建立步骤为：1) 利用高次内插有限元特征法求解特征问题,得到反映裂尖奇异性电弹场状况的特 征值和特征角分布函数;2) 利用广义Hellinger-Reissner变分泛函以及特征问题的解来建立裂尖邻域杂交元模型．该 方法求解电弹场时,摒弃了传统有限元方法中裂尖奇异性场需要借助解析解的做法,也避免 了单纯有限元方法中需要在裂尖端部进行高密度单元划分．采用PZT5板中心裂纹问题 作为考核例,数值结果显示了良好的精确性．作为进一步应用,求解了含中心界面裂纹 的PZT4-PZT5两相压电材料的应力强度因子和电位移强度因子．所有的算例都考虑 了3种裂纹面电边界条件．     

钢－混凝土组合梁非线性有限元分析

提出了部分剪力连接钢-混凝土组合梁非线性有限元分析的简化模型，该模型同时考虑了钢、混凝土材料的非线性本构关系和剪力连接件的滑移非线性对组合梁刚度和强度的影响，推导了考虑滑移的剪力连接件单元刚度矩阵。利用该模型计算了连续组合梁的极限荷载、挠度、应力以及滑移，与已有的理论计算结果和实验结果吻合，证明本方法分析钢-混凝土组合梁非线性的可靠性和实用性。     

ANALYSIS OF COMPOSITE LAMINATE BEAMS USING COUPLING CROSS-SECTION FINITE ELEMENT METHOD

Beams and plates manufactured from laminates of composite materials have distinct advantages in a significant number of applications. However, the anisotropy arising from these materials adds a significant degree of complexity, and thus time, to the stress and deformation analyses of such components, even using numerical approaches such as finite elements. The analysis of composite laminate beams subjected to uniform extension, bending, and/or twisting loads was performed by a novel implementation of the usual finite element method. Due to the symmetric features of the deformations, only a thin slice of the beam to be analysed needs to be modelled. Conventional three-dimensional solid finite elements were used for the structural discretization. The accurate deformation relationships were formulated and implemented through the coupling of nodal translational degrees of freedom in the numerical analysis. A sample solution for a rectangular composite laminate beam is presented to show the validity and accuracy of the proposed method.     

基于Hellinger-Reissner变分原理的应变梯度杂交元设计

从一般的偶应力理论出发,基于Hellinger-Reissner变分原理,通过对有限元 离散体系的位移试解引入非协调位移函数,得到了偶应力理论下有限元离散系统的能量相容 条件,并由此建立了应变梯度杂交元的应力函数优化条件. 根据该优化条件,构造了一 个C0类的平面4节点梯度杂交元,数值结果表明,该单元对可压缩和不可压缩状态的 梯度材料均可给出合理的数值结果,再现材料的尺度效应.     

Orthogonal basic deformation mode method for zero-energy mode suppression of hybrid stress elements

A set of basic deformation modes for hybrid stress finite elements are directly derived from the element displacement field. Subsequently, by employing the so-called united orthogonal conditions, a new orthogonalization method is proposed. The resulting orthogonal basic deformation modes exhibit simple and clear physical meanings. In addition, they do not involve any material parameters, and thus can be efficiently used to examine the element performance and serve as a unified tool to assess different hybrid elements. Thereafter, a convenient approach for the identification of spurious zero-energy modes is presented using the positive definiteness property of a flexibility matrix. Moreover, based on the orthogonality relationship between the given initial stress modes and the orthogonal basic deformation modes, an alternative method of assumed stress modes to formulate a hybrid element free of spurious modes is discussed. It is found that the orthogonality of the basic deformation modes is the sufficient and necessary condition for the suppression of spurious zero-energy modes. Numerical examples of 2D 4-node quadrilateral elements and 3D 8-node hexahedral elements are illustrated in detail to demonstrate the efficiency of the proposed orthogonal basic deformation mode method.