有限元表面应力计算

用有限元[1]通用程序进行结构计算时,最常用的是位移法,因而计算得到的位移有较高的精度。由位移计算应力时,有限元法应用的是应力-应变关系和应变-位移关系,其中应变-位移是微商关系。在数值计算中,微商只能转化为差商等用插值近似处理。这样,虽然位移精度高,但应力的计算精度就被大打折扣。本文应用弹性力学辛体系理论[2],解析求解了位移和应力的影响函数。利用有限元程序计算得到的位移,由功互等定理,不需要微分插值,就可以得到指定点的应力,应力精度大大提高。工程实际中有许多问题的最大应力往往发生在构件表面。针对表面应力问题,本文给出了半平面表面应力的影响函数,进行了数值算例计算。计算结果表明,用本文提出的影响函数法求解一点的应力,其精度明显提高,并且计算结果有很好的稳定性。用本文的影响函数法编制成子程序,可作为有限元软件应力计算的一个模块,可以更好地发挥有限元程序的功效。     

阶梯梁的位移计算方法对比

为了加深学生对位移法及阶梯梁位移计算的理解,以阶梯式简支梁为例,分别利用积分法、常规图乘法、刚度叠加法及位移法求解了阶梯式简支梁的位移。计算结果表明：利用位移法求解阶梯式简支梁的位移具有独特的优势,可显著减少计算工作量并提高计算准确率,值得在教学过程中推广。     

一种考虑旋转位移分量的数字图像相关法及其精度分析

提出了一种新的考虑旋转位移分量的数字图像相关法[CD2]旋转相关匹配法,其特点是先对图像子区进行预旋转,再进行相关匹配、相关系数、整像素和亚像素位移的计算。在物体产生旋转位移分量时,该方法可有效提高变形前后图像子区间的相关系数和位移计算精度。通过斜拉伸、剪切和悬臂梁弯曲实验,对旋转相关匹配法和直接相关匹配法进行了对比研究,并用灰度梯度法计算旋转后新图像子区和变形后图像子区间的亚像素位移。结果表明,在旋转位移分量小于10°的情况下,相比于直接相关匹配法,旋转相关匹配法可以得到更高的相关系数;在用灰度梯度法计算亚像素位移条件下,位移精度与试件位移不产生旋转时的直接相关匹配相当。     

力矩分配法的方程解法

在传统力矩分配法的基础上,将渐进的计算过程转化为方程组的求解,可以更好地理解力矩分配法的分析思路及计算过程,同时提高计算效率和精度。该方法所得到的方程与矩阵位移法所得方程形式相同,但未知量完全不同,方程的推导过程更简洁且易于理解,在教学中可以启发学生对矩阵位移法分析思想的思考。     

杆件体系第二类计算自由度通式的建立

为进行杆件体系的机动分析、为在计算超静定结构时确定力法的多余约束个数以及位移法独立线位移个数,都涉及到杆件体系计算自由度问题。当用计算机计算杆系结构内力时,为防止由于结构计算简图在简化过程中变为几何可变体系而发生"溢出"停机,也要求体系的计算自由度。因此求计算自由度,在结构力学教学和工程设计中,占有重要地位。     

空间刚架结构的广义逆力法

在结构计算中，根据算法中所采用的基本未知量的不同．结构分析方法可以分为力法、位移法和混合法。其中位移法由于适宜计算机处理而在结构计算领域得到了广泛的应用．经典力法相比之下应用就远不如位移法普遍，虽然力法本身在力学上有其独特的优势。广义逆矩阵做为一种较新的数学工具，自二十世纪五十年代诞生以来正日益表现出越来越旺盛的生命力。广义逆力法就是一种基于力法和广义逆矩阵理论的新的迭代算法。这种算法是一种完全适合计算机处理的力法方法。该算法的思路以及对于求解线弹性空间刚架结构问题的具体公式均在文中给出并给出了算例。从算例计算结果可以看到广义逆力法有着较好的计算效率和计算精度。该算法的提出为力法在计算机计算领域的应用开拓了新的发展空间。该算法在材料非线性问题和结构并行计算方面也有着较好的应用前景。     

求解结构地震响应位移输入模型存在的问题及其AMCE实效对策

提出一种实效方法-刚性无质量束缚元AMCE(Appended Massless Constraint Element)法,以解决地震地面运动作用下求解结构响应的位移输入模型中容易而不容忽视的问题.首先对位移输入模型进行了详细分析,明确指出当前位移输入模型在理论上会导致计算结果具有不稳定性和不可靠性,进一步通过算例对此加以说明;针对此问题,提出了AMCE解决方法,并对本方法进行物理角度解释、理论分析和数值验证.结果表明,AMCE法不仅物理概念清晰、简单可行,而且具有足够的计算精度.     

有限元计算中疏密网格过渡方法研究

工程计算中出于节省计算量的目的,往往需要在一个有限元模型中布置粗细不同的网格。为保证计算结果的准确性,必须保证网格突变情况下的位移协调问题。本文工作之一是在强天驰界面过渡单元的基础上,引入虚拟节点和子单元,在子单元中应用节理元思想,提出了基于最小势能原理的弹簧节理单元法。简化了积分运算,避免了精度要求极高的坐标转换,从而提高了方法的精度和实用性;二是提出了基于位移约束的主从自由度法,简便实用,只需简单的矩阵运算即可实现。两种方法均实现了不同尺寸网格间位移的协调性和刚度的匹配,从而使之满足有限元收敛准则,且生成的刚度阵具有对称性及带状性。算例证明两种方法精度良好,并可方便地应用于求解大规模工程问题。     

直接增强自然单元法计算应力强度因子

自然单元法是一种新兴的无网格数值计算方法,但应用于裂纹问题计算时,其近似函数并不能准确反映裂纹尖端渐进应力场的奇异性,为获得足够的计算精度,需要在缝尖附近增大结点的布置密度。针对裂纹问题提出一种增强的自然单元法,将缝尖渐近位移场函数嵌入到自然单元法近似函数中,给出了增强试函数的构造方法,推导了总体刚度矩阵和荷载列阵的相关列式。应力强度因子可以作为附加未知量直接算得,也可用J积分或相互作用能量积分方法进行计算,对增强区域的选择和影响进行了分析。算例结果表明,基于增强自然单元法采用围线积分方法计算应力强度因子具有很高的精度,但直接以附加结点自由度形式计算则精度有所降低。     

位移贡献法及其级数收敛解

文中的位移贡献法是以结构中两节点间的杆件为基本计算单元,通过这些基本计算单元两端的位移对结构中节点位移的贡献及单元之间位移的传递,可求出结构中节点的位移。当采用适当的方法进行位移传递时,可用一组等比收敛级数对结构中节点的位移进行收敛计算,从而得到精确解.     

二维有限区域饱和软土Biot固结的数值模拟

针对二维有限矩形区域饱和软土固结问题,选取四种不同边界条件组合,利用数值模拟方法研究了在上表面剪切载荷作用下土体沉降变形的特征和规律。结果表明:在剪切载荷单独作用下,土体位移以水平位移为主,同时竖向位移也客观存在。这反映了土体固结过程中流固耦合的物理现象。土层最终变形量(沉降和水平位移)由剪切载荷与土体物性决定,与边界透水性无关;边界条件对土体的变形模式有着决定性影响。剪切载荷作用、法向载荷作用及二者联合作用的计算结果对比表明:虽然软土Biot固结是复杂的流固耦合过程,但在这个过程中载荷叠加原理依然成立。     

基于弹性地基梁计算的Daubechies条件小波Ritz法研究

在现有的Daubechies小波Ritz法中,为方便边界条件的引入,借助于位移转换矩阵将Daubechies小波待定系数转换为节点位移。但该方法会降低计算精度,并且计算结果是多个离散的单点位移,不利于进一步解得弯矩、剪力、荷载集度。为寻求更为高效精确的弹性地基梁计算方法,对现有的Daubechies小波Ritz法进行改进,以避免位移转换矩阵的出现,从而提高了计算精度。结合广义变分原理,采用Lagrange乘子法,将边界条件作为附加条件引入自然变分条件下的泛函表达式,构造新的修正泛函。以该修正泛函的驻值条件建立求解矩阵方程组,进而解得未知场函数。此法称为Daubechies条件小波Ritz法。该法计算结果直接是小波基函数待定系数,单元内部任意点的位移均可通过小波基函数得到,也可进一步解得弯矩、剪力、荷载集度,因此比原有方法更为有效。最后,采用受均布荷载的两端铰支弹性地基梁算例,将Daubechies条件小波Ritz法计算结果与基于弹性地基梁理论的解析解进行比较,挠度值（保留小数点后6位小数）与解析解完全一致,弯矩值的相对误差为0.03%,说明Daubechies条件小波Ritz法具有较高计算精度。     

一种基于直接计算高阶奇异积分的断裂力学双边界积分方程分析法

相对于有限元法,边界单元法在求解断裂问题上有着独特的优势,现有的边界单元法中主要有子区域法和双边界积分方程法.采用一种改进的双边界积分方程法求解二维、三维断裂问题的应力强度因子,对非裂纹边界采用传统的位移边界积分方程,只需对裂纹面中的一面采用面力边界积分方程,并以裂纹间断位移为未知量直接用于计算应力强度因子.采用一种高阶奇异积分的直接法计算面力边界积分方程中的超强奇异积分;对于裂纹尖端单元,提供了三种不同形式的间断位移插值函数,采用两点公式计算应力强度因子.给出了多个具体的算例,与现存的精确解或参考解对比,可得到高精度的计算结果.      

地震作用下空间框架结构层间相对位移响应梯度和海赛矩阵的计算

提出一种在地震作用下空间框架结构层间相对位移响应梯度和海赛矩阵的精确计算方法。在有限单元法和纽马克-β法的基础上推导出在地震作用下空间框架结构层间相对位移响应梯度和海赛矩阵的计算公式,给出在地震作用下空间框架结构层间相对位移响应梯度和海赛矩阵的计算步骤,用Matlab语言编制了空间框架结构层间相对位移响应梯度和海赛矩阵的计算程序,实现了空间框架结构层间相对位移响应梯度和海赛矩阵的精确计算。最后通过一个二层空间框架结构的计算实例表明本文所提出的计算方法是有效的。     

无虚拟节点的有限元界面协调技术

分析了罚函数虚拟节点位移协调法,在此基础上提出了无虚拟节点罚函数位移协调法,推导了该界面协调技术的耦合公式,解决了网格突变情况下的位移协调问题,从而协调了计算精度与效率间的矛盾。通过算例分析,验证了其合理性,结果表明所提出的方法的刚度矩阵具有对称性、带状性,同时该法还有精度高、计算效率高等优点。     

平面弹性问题的位移-应力混合重心插值配点法

提出数值分析平面弹性问题的位移-应力混合重心插值配点法。将弹性力学控制方程表达为位移和应力的耦合偏微分方程组,采用重心插值近似未知量,利用重心插值微分矩阵得到平面问题控制方程的矩阵形式离散表达式。使用重心插值离散位移和应力边界条件,采用附加法施加边界条件,得到求解平面弹性问题的过约束线性代数方程组,应用最小二乘法求解过约束方程组,得到平面弹性问题位移和应力数值解。数值算例结果表明,重心Lagrange插值方法的计算精度可达到10~(-10)量级。位移-应力混合重心插值配点法的计算公式简单、程序实施方便,是一种高精度的无网格数值分析方法。     

结构分析中的综合离散法

本文提出了一个结构分析的新方法——综合离散法,它是将近代有限元法与经典Ritz 法相结合而产生的一种方法.文中引入了节点位移模式的概念,并就薄板弯曲问题指出建立节点位移模式的两个途径:一维综合与二维综合.本文应用综合离散法,计算了某些边界条件下薄板弯曲的静力、动力及稳定问题,数值计算结果是令人满意的.     

增量罚有限元位移法分析非线性橡胶类材料

本文基于增量驻值势能原理,用罚函数的概念,建立适用于不可压缩的非线性橡胶类材料的增量形式的罚有限元位移法的计算列式.这种方法能克服混合法中存在的问题.实例计算表明,罚有限元位移法的计算结果与精确解符合得很好.文中还讨论了罚数的选择方法. ...     

位移法典型方程的取舍对结构力学教学的影响

通过结构力学位移法中两种计算方法的比较,位移法典型方程对力学教学的影响。     

欧拉微分式的一种简化方法

欧拉微分式的一种简化方法冯贤桂（重庆大学，重庆６３００４４）在材料力学和弹性力学中平面极坐标问题的求解及轴对称问题的计算，常常遇到欧拉微分方程的求解．例如，轴对称厚壁圆筒的位移法求解的基本方程为￣［１］圆形薄板轴对称弯曲位移法基本方程￣［２］方程（１...