一个统一单元矩阵计算的方法

1.引言有限元应用软件系统中,普遍采用有限元位移法。但单元矩阵(刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵、以至载荷列阵)等的计算,多数是逐一给出,部分是以元素簇给出的。本文将讨论不同类型元素的单元矩阵的统一算法和程序实施技巧,给出计算精密单元和几何非线性单元方便、有效的途径,达到以积累插值函数积累单元矩阵库的目的。     

高精度的简单矩形板弯曲元素用于稳定性及振动分析

本文将文献[1]的高精度的简单矩形板弯曲元素用于薄板的稳定性及振动分析。利用该文构造的位移插值函数,采用一致法,具体推导了三种典型载荷作用下元素的几何刚度矩阵以及质量矩阵.实例计算结果表明,文[1]元素用于稳定性及振动分析时,与用于静力分析时一样,收敛较快、精度较高。各例的计算误差均要比目前仍常用的 ACM 元素小得多.     

用样条能量法进行均布外压下加肋圆柱壳的稳定性分析

本文采用以三次B样条为基函数的样条能量法分析均布外压下加肋圆柱壳的稳定性。导出了刚度矩阵和几何矩阵,并进行了数值计算分析。结果表明,这种算法有很好的收敛精度和通用性,计算也简单方便。     

样条高斯配点法分析加劲板壳的振动与屈出问题

本文提出样条高斯配点法分析加劲板壳的振动与屈曲问题,文中应用双三次B样条函数作为坐标函数,应用能量原理导出了系统方程,其中包括加劲板壳的刚度矩阵,质量矩阵及几何刚阵,在推导式子的过程中,使用了高斯分片积分技术。应用Fortran77语言编制了计算机程序并在VAX-11-780超级小型机上实施了计算,文末给出若干数值算例,计算精度满意,     

任意变厚度的旋转扁薄壳非线性稳定的幂函数解法

以幂函数为试函数,两次使用配点法成功地分离了耦合的大挠度方程,从而导出变厚度旋转扁壳非线性稳定的计算式。支座可以是弹性的。本文给出了均布或多项式分布荷载作用下,线性或多项式型变厚度的圆锥壳、球壳、余弦壳或四次多项式型旋转壳的上、下临界荷载。均布荷载作用下指数型变厚度球壳的上临界荷载同其他方法的结果作了比较。用配点法编写的程序具有收敛范围大、精度高、通用性强和计算时间少的优点。     

含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元

基于含椭圆核有限大各向异性板弹性问题的复变函数级数解,应用杂交变分原理建立了一种与常规有限元相协调的含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元.单元内的应力场和位移场采用满足平衡方程、几何方程与物理方程的复变函数级数解,假设的复变函数级数解精确满足椭圆核边界处的位移协调条件和应力连续条件,单元外边界上的位移场按常规有限元位移场假设,单元内椭圆核的长轴可以与材料主轴不重合.单元刚度矩阵采用Gauss积分求得,并给出了建立刚度矩阵的主要公式和推倒过程.数值计算结果表明该单元具有计算精度高、计算工作量小等优点.     

一种高精度的简单矩形板弯曲元素

本文提出了一种构造弯曲板插值函数的新方法。在矩形域内,按此方法得到了满足完备性要求的新的插值函数。此类插值函数所包含的多项式项数,在同自由度元素中是最多的。推导了以显式表示的12个自由度的简单矩形板弯曲元素刚度矩阵。 实例计算结果表明,本文元素收敛较快,精度较高,且具有单调收敛的特点,其扭转特性则更佳。对典型问题的动力计算,表明结果也是很好的。     

用模态综合法计算旋转壳的振动

本文在文献的基础上,用模态综合法计算了旋转壳的固有振动与地震反应.壳体的母线可以是任意复杂形状的曲线,而壳体的刚度和质量矩阵仍保持拟对角型的优点.编制了程序.并举出算例说明方法是可行的.     

圆筒外壁双边裂纹扭转问题的应力强度因子计算

本文提出了一组应力函数,用边界配置法计算了含外壁双边裂纹的扭转圆筒的扭转刚度和Ⅲ型应力强度因子.当内孔很小时,计算结果与含双边裂纹扭转圆轴的已知解一致.同时,本文给出了不同几何尺寸下圆筒扭转的计算结果.所用力法可以用于含外壁双边裂纹的不同形状简类结构的扭转问题.     

一种考虑剪切变形的矩形板元素刚度矩阵

本文应用应变能分项插值的概念推导了一种具有12个参数的考虑剪切变形的正交各向异性矩形平板元素的刚度矩阵,在计算应变能的近似值时,对不同的项采取了不同的位移函数.基本的位移函数是根据考虑剪切变形的直梁的位移得到的,其中包含了弯曲刚度与剪切刚度的比值D/C,因此得到的刚度矩阵对各种剪切刚度值直至薄板(C→∞)都能应用.刚度矩阵以显式表示,使用方便.对典型问题的静力、动力计算表明结果是良好的.     

基于逆迭代法的结构动力缩聚技术

有限元模型的动力缩聚法已被广泛地应用到大阶系统的特征分析、试验－分析模型的相关分析等领域中。本文从逆迭代法出发,导出了一种有限元模型动力缩聚迭代方法。该方法具有三个显著的优点：其一是收敛速度远远超过现有的动力缩聚迭代法;若干是该迭代法收敛的可以从理论上得到保证,其三是由于没有必要的在每次迭代中都去计算降阶系数的刚度矩阵、质量矩阵和特征问题,因而可减少计算工作量,尤其在主自由度数较大的情况下。     

钢筋混凝土板壳材料非线性分析的有限条法

本文发展了变厚度任意配筋的钢筋混凝土板壳问题中考虑材料非线性分析的有有限条法。文中建立了沿厚度方向作分层离散的维蜕化二次厚壳条，而在计算上，沿壳条跨度方向采用Ｓｉｍｐｓｏｎ积分技术可以方向地处理该方向的任意配筋并给出了满足精度要求的选取Ｓｉｍｐｓｏｎ积分点数的表达式。文中提出的“拟刚度矩阵”法大大简化了非线性有限条法的求解过程，给出两个数值算例表明了理论方法的有效性及其精度。     

钢筋混凝土板壳材料非线性分析的有限条法

本文发展了变厚度任意配筋的钢筋混凝土板壳问题中考虑材料非线性分析的有限条法。文中建立了沿厚度方向作分层离散的三维蜕化二次厚壳条，而在计算上，沿壳条跨度方向采用Ｓｉｍｐｓｏｎ积分技术可以方便地处理该方向的任意配筋并给出了满足精度要求的选取Ｓｉｍｐｓｏｎ积分点数的表达式。文中提出的“拟刚度矩阵”法大大简化了非线性有限条法的求解过程。给出两个数值算例表明了理论方法的有效性及其精度。     

一种提高四边形四节点平面壳单元计算精度的新方法

平面壳单元是由平面应力单元和平板弯曲单元叠加组合而成,具有简单的理论表达,但是它在计算曲面壳体结构时误差较大。为了进一步提高平面壳单元的计算精度,本文提出了一种计算平面壳单元刚度矩阵的新方法。通过该方法在高斯积分点建立多个单元局部坐标系,并保证每个局部坐标系都位于单元在高斯点处的切平面上,从而可以有效适应曲面壳体形状,达到进一步提高平面壳单元计算精度的目的。为了在这种新坐标系下计算单元刚度矩阵,给出了求解形函数对局部坐标的导数、局部到自然坐标系积分转换的雅可比、以及局部到整体坐标系的转换矩阵的新型计算方法。通过将这些新坐标系以及新计算方法运用到平面壳单元DKQ24中,可以有效提高平面壳单元尤其是在计算曲面壳体时的精度。计算结果表明,本文方法和平面壳单元相结合,不仅具有平面壳单元简单的理论表达式,还能得到满意的精度。另外,本文方法还可以应用到其他类型的平面壳单元,为提高其他类型平面壳单元的计算精度提供了一种新的途径和思路,具有广阔的应用前景。     

区间B样条小波薄壳截锥单元构造

利用区间B样条小波的尺度函数作为有限元插值函数,从轴对称壳的能量泛函出发,由变分原理导出了单元刚度矩阵和载荷列阵,构造了区间B样条小波薄壳截锥单元.区间B样条小波单元同时具有B样条函数数值逼近精度高和多种用于结构分析的变尺度基函数的特点.数值算例表明:与传统截锥单元相比,本文构造的小波单元具有求解精度高、单元数量和自由度少等优点.     

直接基于单元平衡的变截面梁反应分析方法

固定形状的单元位移插值函数不能合理地近似变截面梁内部的位移变化,从而影响了传统梁单元用于计算变截面梁的精度.采用直接基于单元平衡的思想给出了计算变截面梁反应的有限元方法,解决了单元位移插值函数局限性所带来的问题.导出了变截面梁单元的单元刚度矩阵、单元等效节点荷载和单元一致质量矩阵.在此基础上,利用编制的程序进行了算例验证与分析.算例验证了本文理论的正确性,表明本文方法具有很高的计算精度.     

等直杆单元切线刚度矩阵的精确分析方法

为了有效完成大型铰接单层网壳结构的后屈曲分析,本文采用对杆单元杆端力函数求导的方法推导出了等直杆单元切线刚度矩阵的精确形式。该切线刚度矩阵不受结构小变形限制,适用于结构产生任意大结点位移情况。以六角星桁架、平面圆拱桁架和大跨K8单层网壳结构为算例,采用广义位移控制法进行非线性后屈曲分析,其中预测子采用本文杆单元切线刚度矩阵。算例分析结果表明,本文杆单元切线刚度矩阵在大型铰接单层网壳结构的非线性后屈曲分析中有很强的预测能力。     

等直杆单元切线刚度矩阵的精确分析方法

为了有效完成大型铰接单层网壳结构的后屈曲分析,本文采用对杆单元杆端力函数求导的方法推导出了等直杆单元切线刚度矩阵的精确形式。该切线刚度矩阵不受结构小变形限制,适用于结构产生任意大结点位移情况。以六角星桁架、平面圆拱桁架和大跨K8单层网壳结构为算例,采用广义位移控制法进行非线性后屈曲分析,其中预测子采用本文杆单元切线刚度矩阵。算例分析结果表明,本文杆单元切线刚度矩阵在大型铰接单层网壳结构的非线性后屈曲分析中有很强的预测能力。     

变厚度薄板、壳广义杂交元

本文基于胡海昌-鹫津久一郎广义杂交变分原理建立了一种三角形变厚度薄板、壳广义杂交元。给出提高杂交元实施效率的一种可能途径。这类单元与其他类型的杂交模型相比,精度高且能较好地避免矩阵求逆运算,具有较好的实用性。单元刚度矩阵常常给出显式,用于直接刚度法程序很方便。 本文还进一步指出,各种杂交模型都可以看成是一种广义直接刚度法。     

夹层圆柱壳振动的谱有限元分析

从哈密顿变分原理获得夹层圆柱壳的运动微分方程和边界条件,将谱有限元法用于夹层圆柱壳结构,推导出不同周向模态下夹层圆柱壳单元的动力刚度矩阵和隐式动力形状函数,分析长径比、径厚比、芯表厚度比、芯表模量比对固有频率和模态损耗因子的影响.研究表明:小径厚比、大长径比及大芯表厚度比有利于抑制夹层圆柱壳振动.