基于等几何分析的比例边界有限元方法

提出了一种具有比例边界有限元的半解析特性和等几何分析的几何特性的新方法。该新方法是在比例边界有限元框架中用NURBS曲线或曲面精确描述域边界几何形状,同时域边界位移场采用描述几何形状的NURBS形函数等参构造。这种新方法具有比例边界有限元固有的径向解析特性和NURBS的高阶连续性的优点。数值算例显示,与传统的比例边界有限元相比,基于等几何分析的比例边界有限元方法提高了域边界单元和域内应力场的连续性,减少了计算自由度。应用此方法可以用较少的计算自由度获得更高连续阶和更高精度的位移、应力和应变场。     

热传导问题的比例边界等几何分析

提出比例边界等几何分析SBIGA(Scaled Boundary IsoGeometric Analysis)方法来求解热传导问题。SBIGA兼具比例边界有限元和等几何分析的优势,特别适用于求解包含无限域和奇异物理场的问题。该方法造型十分方便,在径向具有半解析性质,仅需在计算域边界上用NURBS基函数自然离散,为实现CAD/CAE无缝融合提供了新的途径,大大节约前处理和计算耗时。此外,SBIGA无需进一步与CAD系统数据交换就可以保型细分。三个基准算例证明了其在热传导分析中的有效性。与传统比例边界有限元相比,SBIGA模型消除了几何模型误差,并显示出更高的计算精度和收敛速度。     

比例边界等几何分析方法Ⅰ:波导本征问题

提出比例边界等几何方法 (scaled boundary isogeometric analysis, SBIGA), 并用以求解波导本征值问题. 在比例边界等几何坐标变换的基础上, 利用加权余量法将控制偏微分方程进行离散处理, 半弱化为关于边界控制点变量的二阶常微分方程, 即 TE 波或 TM 波波导的比例边界等几何分析的频域方程以及波导动刚度方程, 同时利用连分式求解波导动刚度矩阵. 通过引入辅助变量进一步得出波导本征方程. 该方法只需在求解域的边界上进行等几何离散, 使问题降低一维, 计算工作量大为节约, 并且由于边界的等几何离散, 使得解的精度更高, 进一步节省求解自由度. 以矩形和 L 形波导的本征问题分析为例, 通过与解析解和其他数值方法比较, 结果表明该方法具有精度高、计算工作量小的优点.     

边界元法解摩擦型的弹性接触问题

1.弹性接触问题的边界积分方程以两个相互接触弹性域Ω~A和Ω~B为研究对象(图1).对任一弹性域Ω~K及边界Γ~K,可以推导出以增量形式写出的弹性接触问题的边界积分方程     

基于非重叠Mortar方法的比例边界等几何分析

在比例边界等几何分析的建模剖分过程中会出现交界面网格非匹配现象,给计算分析带来困难。为了能够处理此类问题,提出了基于非重叠Mortar方法的比例边界等几何分析。该方法能在将全域分解为若干子域时,针对每个子域分别建模和剖分网格,交界面网格无需逐点匹配;采用交叉点修正的非均匀有理B-样条基函数构造Lagrange乘子空间,子域交界面连续条件可通过Mortar条件满足;并根据交界面连续条件进行自由度凝聚,得到对称正定的系数矩阵,可直接求解。分片试验、U形结构和半无限空间上的柔性基础等数值算例验证了本文方法的有效性,计算精度满足要求。     

基于边界元法求解三维弹性摩擦接触问题

边界元法求解三维摩擦接触问题,其中一个关键点在于如何确定滑移方向。即当出现相对滑移时,滑移方向如何确定。当前常采用的方法是,粘结点利用切向面力得到滑移方向,滑移点利用切向相对位移得到滑移方向。不过该方法难以保证收敛性。针对这一问题,本文采用滑移方向预测技术得到滑移方向。即以后出现相对滑移时,滑移方向采用预测技术中得到的滑移方向。由于摩擦接触问题和历史加载相关,本文采用增量法求解。不同摩擦系数下的数值结果都证明了本文算法的有效性和收敛性及滑移方向预测技术的有效性。     

弹塑性接触问题的非光滑非线性方程组方法

将求解三维弹性摩擦接触问题的非光滑非线性方程组方法推广到弹塑性(Mises材料)情形，提出了两种应用方法：一种是将非光滑非线性方程组方法和求解弹塑性问题常用的Newton—Raphson迭代方法结合起来；另一种是将问题写成统一的非光滑非线性方程组，直接求解。数值算例验证了两种方法的有效性，并进行了结果比较。     

基于Hamilton体系的弹性力学问题的比例边界有限元方法

比例边界有限元方法是求解偏微分方程的一种半解析半数值解法。对于弹性力学问题,可采用基于力学相似性、基于比例坐标相似变换的加权余量法和虚功原理得到以位移为未知量的系统控制方程,属于Lagrange体系。但在求解时,又引入了表面力为未知量,控制方程属于Hamilton体系。因而,本文提出在比例边界有限元离散方法的基础上,利...     

非光滑方程组方法在求解非匹配网格接触问题中的应用

将非光滑方程组方法与Mortar StS接触模型(Mortar Segment-to-Segment)相结合,来求解接触面网格非匹配时的弹性接触问题.其中,非光滑方程组方法是求解弹性摩擦接触问题的有效方法,具有精确满足接触条件、迭代算法收敛性有理论保证的优点,但目前仅用于求解网格匹配的接触问题.Mortar StS接触模型可以较为方便地处理网格非匹配接触问题,其特点是不引入过多约束,满足接触分片检验条件,但目前大都采用“试验-误差”迭代方法求解控制方程,对于复杂接触问题,其收敛性不易保证.因此,将二者结合来处理网格非匹配接触问题,既可以提高求解精度,又能使得算法的收敛性得到理论保证.数值算例对接触分片检验和算法的计算精度进行了验证.     

接触问题应力分析的混合解法

接触问题是一个极其复杂的非线性问题,单独使用数值方法或实验方法求解应力都有一定的困难．有限元计算与平面光弹性实验相结合的混合法是对接触问题进行应力分析简单而有效的途径．     

三维弹性接触问题的接触面单元法

基于虚功原理，推导了三维接触面单元的刚度矩阵，并引进预留单元的概念，避免了接触过程中由于接触面变化节点和单元需要重新编号的麻烦．文中算例验证了计算方法的有效性     

弹塑性摩擦接触问题形状设计灵敏度分析

提出了一种计算二维有限变形弹塑性摩擦接触问题形状设计灵敏度的算法. 采用主动集策略和mortar方法处理接触边线上的约束条件. 在mortar接触边线的切线和法线方向上采用相同的名义罚函数,提出基于名义罚函数的移动摩擦锥算法来正则化接触约束条件,发展了一种新的二维多体有限变形摩擦接触算法. 在此基础上, 通过将离散形式的摩擦接触问题控制方程对形状设计变量微分,得到了该路径相关问题的直接微分法解析设计灵敏度计算格式, 其节点位移灵敏度方程在每个增量步不用迭代、直接求解. 与国际上现有的二维多体有限变形摩擦接触问题的解析设计灵敏度算法相比,本算法不需分解为法向和切向推导,表达式较简洁,便于编程实现. 数值算例验证了算法的精度和有效性.      

应用边界元方法的正齿轮接触应力分析

本文应用边界元方法,采用在齿廓上按赫兹分布的载荷,直接计算了在接触区附近齿表面和齿体内的真实接触应力。并通过计算定量地分析了各齿轮参数及齿面摩擦对接触应力的影响。为高精度的齿轮设计、寿命预测和渗碳层厚度选择提供了可靠的依据。     

解三维摩擦接触问题的一个二阶锥线性互补法

针对三维摩擦接触问题的求解,给出了一种基于参变量变分原理的二阶锥线性互补法. 首先,基于三维Coulomb摩擦锥在数学表述上属于二阶锥的事实,利用二阶锥规划对偶理论,建立了三维Coulomb摩擦接触条件的参变量二阶锥线性互补模型,它是二维Coulomb摩擦接触条件参变量线性互补模型在三维情形下的自然推广;随后,利用参变量变分原理与有限元方法,建立了求解三维摩擦接触问题的二阶锥线性互补法. 较之于将三维Coulomb摩擦锥进行显式线性化的线性互补法,该方法无需对三维Coulomb摩擦锥进行线性化,因而在保证精度的前提下所解问题的规模要小很多. 最后通过算例展示了该方法的特点.      

应用边界积分法求圆形夹杂问题的解析解

边界元方法作为一种数值方法,在各种科学工程问题中得到了广泛的应用.本文参考了边界元法的求解思路,从Somigliana等式出发,利用格林函数性质,得到了一种边界积分法,使之可以用来寻求弹性问题的解析解.此边界积分法也可以从Betti互易定理得到.应用此新方法,求解了圆形夹杂问题.首先设定夹杂与基体之间完美连接,将界面处的位移与应力按照傅里叶级数展开,根据问题的对称性与三角函数的正交性来简化假设,减少待定系数的个数.其次选择合适的试函数(试函数满足位移单值条件以及无体力的线弹性力学问题的控制方程),应用边界积分法,求得界面处的位移与应力的值.然后再求解域内位移与应力.得到了问题的精确解析解,当夹杂弹性模量为零或趋向于无穷大时,退化为圆孔或刚性夹杂问题的解析解.求解过程表明,若问题的求解区域包含无穷远处时,所取的试函数应满足无穷远处的边界条件.若求解区域包含坐标原点,试函数在原点处位移与应力应是有限的.结果表明了此方法的有效性.     

CRACK FACE CONTACT PROBLEM ANALYSIS USING THE SCALED BOUNDARY FINITE ELEMENT METHOD

比例边界有限元侧面上有任意荷载时,将侧面载荷分解成关于径向方向局部坐标的多项式函数的和,推导给出了考虑侧面载荷存在的新型形函数,并基于该形函数推导了刚度矩阵和等效节点载荷列阵.首次对比例边界有限元法求解裂纹面接触问题进行了研究,运用Lagrange乘子引入接触界面约束条件,推导给出了比例边界有限元求解裂纹面接触问题的控制方程.将裂纹面单元分为非裂尖单元和含有侧面的裂尖单元.在非裂尖单元中的裂纹面,裂纹面作为多边形单元的边界,边界上的接触力可等效到节点上,通过在节点上构造Lagrange乘子,采用点对点接触约束进行处理.对于含有侧面的裂尖单元,在整个侧面上构造Lagrange乘子的插值场,采用边对边接触约束进行处理.对三个不同的接触约束状态下的算例进行了数值计算,通过与解析解及有限元软件ABAQUS计算结果的对比,验证了本文提出的比例边界有限元点对点和边对边接触求解裂纹面接触问题的精确性与有效性.     

二维弹性接触问题的接触面单元法

本文基于虚功原理，推导了二维接触面单元的刚度矩阵，并引进预留单元的概念，避免了接触过程中由于接触面变化，节点和单元需要重新编号的麻烦。采用位移和应力联合控制的增量法控制加载过程，文中给出考题验证计算方法的有效性，并给出本文方法在汽检轮机中根与轮缘接触问题中的应用实例。