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。     

近场动力学与有限元的混合建模方法

综述了近场动力学与有限元混合建模方法的研究进展,阐明了各种混合建模方法的基本原理与特点,并重点介绍本课题组在近场动力学与有限元方法混合建模方面的研究工作。现有近场动力学与有限元混合建模方法包括位移协调约束、力耦合、混合函数方法以及子模型方法等,除子模型方法外,都可归结为并行式多尺度分析方法,其基本思想是将计算结构划分为近场动力学子域、有限元子域以及两者的交界区域(或重叠区域、或界面单元、或过渡区域)。子模型方法可归结为显-显分析方法,先采用显式有限元进行整体分析,后采用近场动力学方法对重点区域进行分析。混合建模方法需要着重提高交界区域的计算精度,并且消除虚假力和虚假应力波问题。提出了通过力耦合的近场动力学与有限元混合建模的隐式分析方法,该方法不再设置重叠区,通过杆单元连接近场动力学子域与有限元子域,其中界面上的有限元结点不仅与其所在单元的其他结点发生作用,还通过杆单元与以其为圆心、一定半径的圆域内的其他物质点相互作用。研究表明,本文提出的混合模型和求解方法既能有效解决裂纹扩展等不连续问题,又可提高计算效率,为工程结构破坏问题的计算分析提供一种有效方法。     

混合边界矩形薄板的自由振动

本文用离散型最小二乘法和配点法分析混合边界矩形薄板的自由振动问题.所提出的振型函数的试函数精确满足板内的控制微分方程和部分边界条件.计算特征值时只需在部分边界上配点即可.这样工作量少,精度较高,算例结果令人满意.     

基于有限断裂法和比例边界有限元法的裂纹扩展模拟

基于有限断裂法和比例边界有限元法提出了一种裂缝开裂过程模拟的数值模型。采用基于有限断裂法的混合断裂准则作为起裂及扩展的判断标准,当最大环向应力和能量释放率同时达到其临界值时,裂缝扩展。结合多边形比例边界有限元法,可以半解析地求解裂尖区域附近的应力场和位移场,在裂尖附近无需富集即可获得高精度的解。计算能量释放率时,只需将裂尖多边形内的裂尖位置局部调整,无需改变整体网格的分布,网格重剖分的工作量降至最少。裂缝扩展步长通过混合断裂准则确定,避免了人为假设的随意性,并可以实现裂缝变步长扩展的模拟,更符合实际情况。通过对四点剪切梁的复合型裂缝扩展过程的模拟,对本文模型进行了验证,并应用于重力坝模型的裂缝扩展模拟,计算结果表明,本文提出的模型简单易行且精度较高。     

拉索穹顶结构非线性分析的混合有限元增量法

拉索穹顶结构是由受压桅杆和拉索组成的新型柔性大跨度空间组合结构,几何上表现为极强的非线性特性,计算困难,本文应用有限元法,结合拉索穹顶结构特征,假定拉索和桅杆的受力满足虎克宣定律,建立了可以直接考虑拉索垂度影响的两节点索单元模型,并与两节点直杆单元相结合,基于修正的拉格朗日描述方法和虚功原理建立了拉索穹顶结构非线性分析的混合有限元增量方程。采用荷载增量法与Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法相结合的求解     

挠性航天器太阳翼全局模态动力学建模与实验研究

现代柔性航天器通常安装有大型太阳翼为其在轨运行提供所需动力. 航天器入轨后太阳翼展开并锁定成为铰链连接多板结构, 此类结构质量轻、跨度大、刚度低的特点使其低频振动和非线性振动问题越来越凸显. 分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统精确的非线性动力学模型. 为此, 本文提出铰链连接多板结构解析全局模态的提取方法, 获取太阳翼的固有频率和解析函数表征的全局模态. 提出可变刚度的扭转弹簧等效模型, 考虑铰链非线性刚度及摩擦力矩等因素, 通过全局模态离散得到系统的低维高精度非线性动力学模型, 研究了太阳翼在周期激励作用下的非线性特性. 开展太阳翼地面振动实验研究, 采用锤击法获取系统模态, 利用振动台施加正弦扫频激励, 将物理实验结果与理论结果进行对比, 从而验证全局模态动力学建模方法的合理性与准确性. 结果表明, 铰链刚度等结构参数对系统固有特性的影响较大, 铰链的存在会使太阳翼的动态响应出现跳跃等非线性现象. 全局模态动力学建模方法能很好地解决多板结构在非经典边界下解析全局模态求解的困难, 系统全局模态反映的是系统各个部件弹性振动的真实模态, 所建立的动力学模型具有低维高精度的特点, 对于复杂组合结构非线性动力学建模具有重要的参考价值.      

面向概率-区间混合可靠性分析的自适应共轭控制方法与应用

复杂工程结构中往往包含多源不确定性,而概率-区间混合不确定性理论是处理这些不确定性因素的有效手段。但是,经典的概率-区间混合可靠性计算模型由双层优化循环嵌套组成,对于复杂工程问题存在计算成本过高和鲁棒性不足的问题。为了改进算法性能,提出了面向概率-区间混合可靠性分析的自适应共轭控制方法,该方法将前两次迭代方向与当前迭代点处的负梯度方向组合,同时加入控制因子对组合后的方向进行修正,改善其迭代点的下降方向,提高相应收敛速度,并通过可行下降方向的定义证明了修正后方向仍为优化问题的下降方向。此外,为防止迭代过程中产生数值振荡,进一步引入了Wolfe-Powell准则,保证控制因子自适应更新的同时增强了算法的鲁棒性。为了获得随机参数的上下界,基于超参数凸模型构造了相应的显式迭代公式。计算结果表明,该方法在解决高非线性问题时能有效地避免迭代过程中出现的振荡现象,与传统方法相比,不仅能满足精度需求,而且可以高效、稳定地求解可靠度指标。     

弯矩作用下薄板振动的仿真分析

针对工程中广泛存在的弯矩作用下板结构的振动问题,分别建立四边固定、三边固定一边自由、两对边固定两对边自由的3种不同边界条件下板的振动模型;基于有限元法计算振动板的频率响应,计算了各节点振动速度的平方和;运用部分追加法正交试验方案分别对板厚、边界条件、板的损耗因子三因素三水平、激励点位置四水平进行了正交试验。实例结果表明,以速度平方和的大小为目标,影响薄板振动的主次因素顺序为:损耗因子、板厚、边界、激励点位置;当振动板两对边固定另两对边自由支承、板厚为0.014m、在(0.5m,0.4m)点处激励且板的损耗因子为0.0008时,此组合为薄板结构振动最小的最优组合。     

结构-地基系统静-动力联合分析模型

以有限区域模拟无限区域的动力计算必须考虑边界上波的传播效应,应不使波在边界上发生反射再返回到计算域中,并且应考虑初始静力场对其动力反应的影响。因此,基于无限元的静、动力特性提出静-动力统一无限元,通过算例验证无限元静-动力统一人工边界在静-动力联合分析模型中的精度和稳定性。结果表明:无限元静-动力统一人工边界在静力、动力及静-动力联合分析模型中具有很高的精度和良好的稳定性,突破了传统动力人工边界不能兼顾静力效应的局限。     

饱和多孔地基与矩形板动力相互作用的非轴对称混合边值问题

在同一界面的不同区域具有多种边界条件, 称之为混合边界, 这是一个熟知的力学问题. 对这类问题进行精确分析时, 必须要进行混合边值问题的求解. 而对于一般的三维非轴对称情形, 混合边值问题的求解往往存在数学困难. 本文利用Hilbert定理和双重Fourier变换, 给出了一种求解三维非轴对称混合边值问题的解析方法, 利用该方法对具有混合透水边界的饱和多孔地基上矩形板的振动弯曲进行了解析研究(板与地基接触面为不透水边界, 其余为透水边界). 首先, 基于Kirchhoff理论和Biot多孔介质理论建立矩形板与饱和多孔地基的动力控制方程, 进行耦合求解. 针对板土接触面和非接触面的混合边值问题, 采用双重Fourier变换构造出两对二维对偶积分方程, 以接触应力和接触面孔隙压力为基本未知量, 用Jacobi正交多项式将未知量展开, 再利用Schmidt法对二维对偶积分方程完成求解, 最终推导出板土系统在动力作用下的位移和应力解析式. 通过将本文计算模型退化为单一弹性地基, 与已有研究结果进行对比, 验证了本文方法的正确性和有效性. 最后, 通过数值算例, 对饱和多孔地基上矩形板的动力响应及参数影响做出分析和讨论. 此外, 本文提出的解析法具有一般性, 可广泛应用于复杂接触问题和多场耦合问题的求解.      

格子Boltzmann方法模拟多孔介质惯性流的边界条件改进

格子Boltzmann方法可以有效地模拟水动力学问题,边界处理方法的选择对于可靠的模拟计算至关重要.本文基于多松弛时间格子Boltzmann模型开展了不同边界条件下,周期对称性结构和不规则结构中流体流动模拟,阐述了不同边界条件的精度和适用范围. 此外,引入一种混合式边界处理方法来模拟多孔介质惯性流, 结果表明:对于周期性对称结构流动模拟,体力格式边界条件和压力边界处理方法是等效的,两者都能精确地捕捉流体流动特点; 而对于非周期性不规则结构,两种边界处理方法并不等价,体力格式边界条件只适用于周期性结构;由于广义化周期性边界条件忽略了垂直主流方向上流体与固体格点的碰撞作用,同样不适合处理不规则模型;体力-压力混合式边界格式能够用来模拟周期性或非周期性结构流体流动,在模拟多孔介质流体惯性流时,比压力边界条件有更大的应用优势,可以获得更大的雷诺数且能保证计算的准确性.      

采用压电和粘弹性材料的杂交控制的研究进展

杂交阻尼控制技术是许多工程结构减振和改善性能的重要方法之一.本文主要从杂交阻尼结构的几个特征方面:阻尼结构形式、建模假设、黏弹性材料建模、响应分析方法、控制方法、参数研究和结构选择来研究杂交阻尼结构的研究进展和主要研究成果.研究发现绝大多数的文献只局限于研究梁板的问题.因此很有必要加强对壳体等复杂结构的研究.最后文中指出了有关杂交阻尼结构继续发展的有待深入研究的几个方面.图0参72     

欠驱动空间柔性机器人动力学建模与实时仿真

研究了在轨服务欠驱动空间柔性机器人的广义递推高效动力学算法. 根据系统中铰的驱动情况分别对铰链定义为主动铰和被动铰,通过判断铰链的类型分别按照两次从系统的顶端到基座的顺序、一次从基座到顶端的顺序进行了系统铰接体惯量的递推、系统冗余力的递推和广义加速度和广义主动力的递推. 通过上述3 种方式的递推过程建立了空间机器人广义递推动力学模型,实现了高效率O(n) 次的计算效率. 然后采用线性多步积分算法,对所建立的微分-代数方程进行了快速的数值求解. 最后通过软件编制仿真验证了本研究内容的正确性和高效性.     

《余能理论》引领中国变分原理的研究

正今年是钱令希院士诞辰100周年,带着崇敬的心情我们缅怀先生的一生。作为一名杰出的科学家,除了在很多研究工作中取得优秀的成果,钱令希先生的战略眼光更值得我们学习。1950年钱令希先生在中国科学杂志发表《余能理论》[1]。论文中钱令希先生引用了Westergaard 1941年关于余能原理的论文,特别引用了Westergaard的观点,认为余能方法没有受到与其价     

OpenSees 混合模拟试验技术发展与应用

将现代结构地震性能模拟与试验分为整体结构模拟试验和子结构模拟试验两类. 在此基础之上详细 讨论了混合模拟试验的基本概念背景及其应用与发展现状. 结合面相对象有限元程序OpenSees 的高层程序 架构和并行计算程序架构, 详细论述了基于OpenSees 的4 种混合模拟试验系统, 并简要介绍了多尺度一体化 混合建模的概念与应用. 证明基于商业或非商业有限元软件平台开展混合模拟试验是可行的; 混合模拟试验 所要处理的核心问题是如何将不同的有限元软件平台以及各个试验站点的设备联系起来, 并实现相互之间的 协同工作. 混合模拟试验在强震作用下结构连续倒塌问题的研究中具有一定的优势. 指出混合模拟试验这一 新技术的实质性发展离不开目前所强调的多学科之间的无缝融合.      

断裂力学问题的杂交边界点方法

提出了一种求解断裂力学的新的边界类型无网格方法-杂交边界点法.以修正变分原理和移动最小二乘近似为基础,同时具有边界元法和无网格法的优良特性,求解时仅仅需要边界上离散点的信息.该文将杂交边界点方法应用到弹性断裂问题中,将移动最小二乘方法中的基函数扩充,能更好的模拟裂纹尖端应力场的奇异性,推导了求解断裂力学的杂交边界点法方程,与传统的元网格方法相比,文中方法具有后处理简单,计算精度高的优点.数值算例表明了该方法的稳定性和有效性.     

FUNDAMENTAL SOLUTION BASED GRADED ELEMENT MODEL FOR STEADY-STATE HEAT TRANSFER IN FGM

A novel hybrid graded element model is developed in this paper for investigating thermal behavior of functionally graded materials (FGMs). The model can handle a spatially varying material property field of FGMs. In the proposed approach, a new variational functional is first constructed for generating corresponding finite element model. Then, a graded element is formulated based on two sets of independent temperature fields. One is known as intra-element temperature field defined within the element domain; the other is the so-called frame field defined on the element boundary only. The intra-element temperature field is constructed using the linear combination of fundamental solutions, while the independent frame field is separately used as the boundary interpolation functions of the element to ensure the field continuity over the interelement boundary. Due to the properties of fundamental solutions, the domain integrals appearing in the variational functional can be converted into boundary integrals which can significantly simplify the calculation of generalized element stiffness matrix. The proposed model can simulate the graded material properties naturally due to the use of the graded element in the finite element (FE) model. Moreover, it inherits all the advantages of the hybrid Trefftz finite element method (HT-FEM) over the conventional FEM and boundary element method (BEM). Finally, several examples are presented to assess the performance of the proposed method, and the obtained numerical results show a good numerical accuracy.     

Robustness of the hybrid DRP‐WENO scheme for shock flow computations

This paper describes a new variant of hybrid scheme that is constructed by a wave‐capturing scheme and a nonoscillatory scheme for flow computations in the presence of shocks. The improved fifth‐order upwind weighted essentially nonoscillatory scheme is chosen to be conjugated with the seven‐point dispersion‐relation‐preserving scheme by means of an adaptive switch function of grid‐point type. The new hybrid scheme can achieve a better resolution than the hybrid scheme which is based on the classical weighted essentially scheme. Ami Harten's multiresolution analysis algorithm is applied to density field for detecting discontinuities and setting point values of the switch function adaptively. Moreover, the tenth‐order central filter is applied in smooth part of the flow field for damping dispersion errors. This scheme can promote overall computational efficiency and yield oscillation‐free results in shock flows. The resolution properties and robustness of the new hybrid scheme are tested in both 1D and 2D linear and nonlinear cases. It performs well for computing flow problems with rich structures of weak/strong shocks and large/small vortices, such as the shock‐boundary layer interaction problem in a shock tube, which illustrates that it is very robust and accurate for direct numerical simulation of gas‐dynamics flows. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Finite element formulation for active functionally graded thin-walled structures

For the analysis and design process of smart structures with integrated piezoelectric patches, the finite element method provides an effective simulation approach. In this paper, an attempt on modeling and simulation of the behavior of hybrid active structures is carried out using developed Kirchhoff-type-four-node shell element.The finite element results are compared with reference solutions taking into account the electromechanical responses of smart structures with various geometries, and the results show very high agreement. The main aspect of the application of the proposed element is to predict the behavior of FGM shells containing piezoelectric layers. A set of numerical analyses is performed in order to highlight the applicability and effectiveness of the present finite element model, notably for smart FGM structures. A comprehensive parametric study is conducted to show the influence of material composition, the placement and the thickness of the piezoelectric layers on the deformation of the laminated structure.