Stochastic finite element method based on local averages of random fields

The stochastic finite element method (SFEM) based on the local, averages of random fields, which was proposed in [5], is now generalized to analyze the structures with several correlated random parameters. The covariance matrix of the local averages of a random vector field is derived. The SFEM based on the local averages of random vector fields is formulated. The numerical examples show that the generalized SFEM preserves the advantages of the original one, i. e., rapid convergence, good accuracy and insensitivity to the correlation structures of random parameters.Project supported by National Natural Science Foundation of China.     

On the local average of random field in stochastic finite element analysis

The distinguishing feature of stochastic finite element analysis is that it involves the discretization of the parameter space of random fields of material properties, the geometry of structure and / or the loads. It is shown in earlier investigations that a reasonable procedure of discretization is to take the local averages of the random fields on each element. In the present paper the formulae for the covariance of the local averages of a homogeneous random vector field on rectangular elements are generalized by relaxing the condition. For an inhomogeneous random field and /or non-rectangular elements, a procedure of using Gaussian quadrature to evaluate the means and covariances of the local averages is proposed. Thus, the stochastic finite element method (SFEM) based on the local averages of random fields is adapted to a structure with irregular shape and / or inhomogeneous random fields. The effects of the mesh geometry, the ratio of element size to the correlation scale as well as the number of Gaussian quadrature points on the convergence of SFEM are discussed. It is found that even better results could be obtained by utilizing appropriate Gaussian quadrature instead of exact local average.Project supported by National Natural Science Foundation of China.     

等参局部平均随机场和Neumann随机有限元法

本文提出了二维连续平稳随机场的一种新的表述方法—等参局部平均随机场模型,并将它引入Neumann随机有限元法。算例表明,本文的方法是有效的且能提高精度和计算效率。     

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。     

结构动力分析的随机变分原理及随机有限元法

将结构动力系统的参数及激励的随机性直接引入结构的动力泛函变分表达式中，基于瞬时最小势能原理，应用小参数摄动法，建立了随机结构动力分析的随机变分列式及相应的确机有限元法。算例表明，应用此法分析随机结构动力响应，具有程序实施简便，计算效率高的优点。     

幂律全塑性罚函数随机有限元

用罚函数有限元方法解决平面应变下的体积下可压缩问题,应用摄动有限元理论发展幂律全塑性随机有限元,并以弹性模是E,泊松比u和节点坐标等的基本随机变量,推导有限元列式,给出单板受拉,梁受弯的算例。     

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。     

考虑空间变异性的框架结构可靠度分析方法

空间变异性是结构参数的固有属性,对于工程结构的随机响应和可靠度分析具有重要影响。结合随机场离散的局部平均理论和随机响应分析的摄动随机有限元法,提出一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法,并定量分析了参数空间变异性对结构可靠度的影响规律。首先,考虑随机因素的空间变异性,采用二维线性随机场离散的局部平均理论将平面框架结构的连续随机场离散为一组随机变量,并通过理论推导建立了随机场局部平均间协方差矩阵的二重积分表达式;然后,采用摄动随机有限元法分析结构随机响应及其对基本随机变量的梯度向量,并利用可靠度分析的梯度优化法计算结构可靠指标,从而提出了一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法。分析表明,该方法具有较高的计算精度和计算效率;随机场离散的局部平均理论对相关结构类型不敏感;随着随机场相关偏度和变异性的增大,框架结构的可靠指标逐渐减小,说明结构参数的空间变异性对结构可靠度的影响不容忽视。     

粘弹性随机分析的虚功原理及随机有限元

利用增量法处理粘弹性本构关系中的遗传积分，将粘弹性材料的随机性、结构几何形状的随机性、外载荷的随机性引入虚功方程，应用摄动方法，研究了粘弹性随机分析的虚功原理和粘弹性随机有限元。研究发现，尽管粘弹性本构关系具有时间相依性，其随机摄动格式并不存在“长期项”的影响，算例表明，应用该方法进行粘弹性结构的随机模拟，计算效率较高、精度较高。     

随机场的投影展开法

本文基于伽辽金投影方法，提出了一种新的随机场的展开方法。它是通过构造一组标准正交基，并将随机场用其在这组基上的投影表示。这种展开方法避免了求解相关函数的特征函数的困难，最后通过算例说明了本文方法的特性。     

张拉结构非线性分析的五节点等参单元

本文针对张拉结构的特点，提出了一种五节点等参数单元有限元模型，采用四次多项式作为位移插值函数及单元初始形状函数，并假定索是理想柔性的且满足虎克定律，基于修正的Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ坐标描述法，建立了非线性有限元基本方程和切线刚度矩阵，利用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法进行了实例计算。结果表明：本文方法精度极高，可供大跨度索网，索穹顶，拉线塔等张拉结构分析，设计时采用。     

复合材料层合板的摄动随机Cell-Based光滑有限元

随机性是实际工程结构的固有特性,如何更真实地描述含随机参数结构的随机响应及统计特性,对工程结构的可靠性设计具有非常重要的意义。本文基于Cell-Based光滑有限元,采用四边形单元,推导了基于一阶剪切变形理论的复合材料层合板的光滑有限元公式,降低了网格划分要求,适应不规则网格,并采用离散剪切间隙有效地消除了剪切自锁;结合摄动法和随机场理论,导出了复合材料层合板的摄动随机光滑有限元平衡方程,并给出了结构随机响应数字特征的计算公式,求解了材料属性含随机性的复合材料层合板的随机响应问题,数值算例结果表明了本方法的有效性和准确性。     

线性等参单元逆变换的几何二分法及其修正

在证明线性等参单元的一个几何特性的基础上,提出了线性等参单元逆变换的几何二分法。几何二分法简单易行,避免求解高维高次非线性方程组。在几何二分法基础上,提出一种修正措施以消除畸形单元对所求结果的影响,几何二分法及其修正措施克服了以往方法存在的缺点,两个实例验证了由几何二分法及其修正措施进行等参逆变换的正确性。     

随机有限元分析的二级区域分解并行求解算法

采用蒙特卡罗模拟(MCS)和加权积分法对二维问题进行随机有限元分析。尽管MCS方法对任何有确定解的问题都具有求解精度高的优点,但由于求解所需的计算量巨大使其应用受到限制。利用并行求解技术可有效地处理这种密集型计算问题。基于有限元分裂对接法(FETI)的并行特性并利用预处理共轭梯度法(PCG)的求解高效性,结合整体子区域实现(GSI-PCG)和FETI法,提出二级求解算法,并在工作站机群上实现了数值算例。算例计算结果表明本文GSI(PCG)-FETI算法具有较高的并行加速比和并行效率,具有良好的性能,可有效地进行二维问题的随机有限元分析。     

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

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

随机结构有限元分析的递推求解方法的改进

将随机结构有限元分析的递推求解方法和伽辽金投影方法相结合,提出了求解随机静力响应的改进的递推求解方法。利用随机收敛的非正交多项式展开表示由于材料、外部荷载或构件几何尺寸的随机性导致的结构随机响应。采用递推求解方法得到响应多项式展开的初始系数,并运用定义的数学算子显式地表达出来。然后,通过定义修正系数,应用伽辽金方法对随机力平衡方程在非正交多项式基上进行投影,得到了和响应展开阶次个数相同的确定的有限元方程,并进行求解得到了修正系数。数值算例表明,通过对递推求解方法中响应表达式系数的修正,以很小的计算代价较大地提高了随机响应的计算精度;与基于正交多项式展开的随机有限元方法相比,在精度相当的前提下新方法耗费的计算时间大大降低。     

多自由度非线性随机参数振动系统响应分析的概率摄动有限元法

提出了一般概率摄动有限元法，并用以解决了具有向量值和矩阵值函数的多自由度非线性随机结构系统承受随机激励的响应分析问题，应用Kronecker代数，矩阵微分理论，向量值和矩阵值函数的二阶矩技术，矩阵摄动理论和概率统计方法系统地扩展了国际上通用的随机有限元法，随机变量和系统导数很方便地排列到二维矩阵中，得到了优美的数学表达式。     

刚度随机时梁的随机分析

本文从梁的曲线方程出发，给出了梁刚度随机时的解析分析公式，并将局部平均法融于二阶差分方法职，给出了梁随机数值分析的有关公式一方面对局部局部平均法的准确程度命同检验，同时改进了用局部平均法对梁进行随机分析中的某 足，为梁的随机分析了较为准确的数值和解析解。     

国外几种大型微机有限元分析系统(FEAS)简介

本文简述当前国际上流行几种大型通用微机用有限元程序的概况，以及它们的比较与应用等     

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