索网天线的参变量变分及非线性有限元方法

针对大型周边桁架式索网天线由拉索拉压模量不同引起的本构非线性和结构大变形引起的几何非线性问题,给出了基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法. 首先针对含预应力索单元拉压模量不同分段描述的本构关系,通过引入参变量,导出了基于参变量及其互补方程的统一描述形式,避免了传统算法需要根据当前变形对索单元张紧/松弛状态的预测,提高了算法收敛性. 然后利用拉格朗日应变描述索网天线结构大变形问题,结合几何非线性有限元法,建立了基于参变量的非线性平衡方程和线性互补方程;并给出了牛顿-拉斐逊迭代法与莱姆算法相结合的求解算法. 数值算例验证了本文提出的算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于大型索网天线结构的高精度变形分析和预测.      

输入受限LQ控制的参变量变分原理和算法

在最优控制理论中根据模拟理论思想发展了塑性力学和接触力学中的参变量变分原理, 并建立了控制输入受限的线性二次(linear quadratic, LQ)最优控制问题的求解新方程---耦合的Hamilton正则方程与线性互补方程. 通过将连续时间离散成一系列等间距时间区段, 在离散时域内采用参数二次规划方法给出数值求解输入受限的LQ最优控制问题的新算法. 数值仿真验证了该算法在求解控制输入受限的LQ最优控制问题中的有效性, 并且该算法具有较快的收敛性, 在大步长下具有较高的计算精度.      

理想粘塑性流体润滑问题的参变量变分原理

本文给出了理想粘塑性流体润滑问题的参变量变分原理.在膜厚方向压力为常数的假设下,塑性剪切滑移面将发生在固液交界面上,因而可以选择边界速度滑移量为参变量(控制变量).文中讨论了采用有限元求解时的实施过程,原问题最后可化为求解带约束条件的参数二次规划问题.该方法简单可靠,具有良好的工程应用前景.     

用于弹性蠕变损伤问题的参变量变分原理

参变量变分原理是近年来发展的用于处理数学物理问题中边界待定边值问题的一种有效方法,本文建立起用于蠕变损伤问题结构分析的参变量变分原理,该原理将原问题化为求解带约束条件的泛函极值,其约束条件就是由蠕变损伤本构关系推导出的系统状态方程组;该原理物理意义明确、表达式简单并且规范,容易为计算机实现。本文给出原理的证明,并就2.25Cr-1Mo钢在550℃下的蠕变问题给出实例。     

一类铁电模型的参变量变分原理及其应用

将参变量变分原理引入铁电问题。对一类借用了经典弹塑性理论中的概念和方法的多轴铁电模型建立基于Helmholtz自由能的参变量变分原理,可以有效处理传统变分原理中由非关联流动法则或屈服面不考虑材料系数变化所引起的切线模量非对称困难。相应于参变量变分原理,引入参数二次规划算法,可获得具有可靠数值稳定性的一套铁电算法。将该算法应用于一个具体的铁电模型,数值计算结果表明本文方法的有效性。     

基于参变量变分原理的非均质多边形微结构材料弹塑性分析

为了更好地模拟复合材料及含夹杂非均质材料等的宏观弹塑性力学性能,简化有限元建模时间和减少有限元模拟计算量。本文基于参变量变分原理,提出了一种采用任意多边形弹塑性单元进行结构非线性分析的参数二次规划算法,给出了参变量最小势能原理以及最终的二次规划模型,并在有限元分析与优化设计软件系统JIFEX上进行了程序实现。数值算例证明了本文方法的正确与可行性。     

参变量变分原理的提出、发展与应用

参变量变分原理及其参数二次规划算法是由钟万勰院士1985年针对弹性接触边界非线性问题首次提出来的,经过将近40年的不断发展,目前参变量变分原理已经成功应用于各个领域,其中包括弹塑性分析、接触问题、润滑力学、岩土力学、变刚度杆系结构、先进材料性能分析、材料的蠕变与损伤、柔性结构力学和LQ最优控制等各个工程领域。本文首先回顾了参变量变分原理的起源,介绍了参变量变分原理的基本概念,然后以弹塑性分析问题为例,阐明建立参变量变分原理的理论模型以及实现数值参数二次规划求解原理,最后详细回顾了参变量变分原理的基本理论与相应数值算法在各个领域的发展及其工程应用,展示了参变量变分原理在求解各类非线性问题的特色与优势。     

参变量变分原理求解土的变形模量与压缩模量间的关系

运用参变量最小势能原理推导了弹性及塑性状态下的土的变形模量与压缩模量间的关系,认为两者比值与土的内摩擦角φ、泊松比μ及粘聚力c等土性指标有关.提出了塑性影响因子α及临界应力p*的概念,指出当试验时土体应力大于土体的临界应力值时,变形模量与压缩模量的理论关系式应引入塑性影响因子α,从而克服了以往基于弹性理论得出的变形模量理论值远小于试验值的不足.     

基于参变量变分原理的直升机系留载荷高性能计算方法

为了保证直升机在舰船上的安全性,必须使用系留设备将直升机系留在舰船上。直升机的系留问题可简化为由机身刚体、索具和起落架组成的杆件系统,索具只承受拉力而不承受压力,起落架只承受压力而不承受拉力。因此,直升机系留问题为典型的强非线性问题,需要发展有效的求解算法。在考虑大变形的情况下,基于参变量变分原理建立了求解直升机系留载荷的高性能计算方法。该方法利用参变量变分原理能够准确判断索具和起落架的拉压状态,并将材料非线性静力问题转换为线性静力互补问题求解,极大地提高了结果的收敛性。数值算例中,通过与有限元通用软件NASTRAN和ABAQUS计算结果比较,证实了该方法的精确性、收敛性及高效性。     

PARAMETRIC VARIATIONAL PRINCIPLE BASED ELASTIC-PLASTIC ANALYSIS OF HETEROGENEOUS MATERIALS WITH VORONOI FINITE ELEMENT METHOD

The Voronoi cell finite element method (VCFEM) is adopted to overcome the limitations of the classic displacement based finite element method in the numerical simulation of heterogeneous materials. The parametric variational principle and quadratic programming method are developed for elastic-plastic Voronoi finite element analysis of two-dimensional problems. Finite element formulations are derived and a standard quadratic programming model is deduced from the elastic-plastic equations. Influence of microscopic heterogeneities on the overall mechanical response of heterogeneous materials is studied in detail. The overall properties of heterogeneous materials depend mostly on the size, shape and distribution of the material phases of the microstructure. Numerical examples are presented to demonstrate the validity and effectiveness of the method developed.     

The random variational principle and finite element method

In this paper, we introduced the random materials, geometrical shapes, force and displacement boundary condition directly into the functional variational formulations and developed a unified random variational principle and finite element method with the small parameter perturbation method. Numerical examples showed that the methods have the advantages of the simple and convenient program implementation, and are effective for the random mechanics problems.     

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

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

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。     

Dual variational formulation for Trefftz finite element method of elastic materials

A dual variational principle is presented for Trefftz finite element analysis. The proof of the stationary conditions of the variational functional and the theorem on the existence of extremum are provided in this paper. They are boundary displacement condition, surface traction condition and interelement continuity condition. Based on the assumed intraelement and frame fields, element stiffness matrix equation is obtained which can easily be implemented into computer programs for numerical analysis with Trefftz finite element method. Two numerical examples are considered to illustrate the effectiveness and applicability of the proposed element model.     

波导本征问题分析的比例边界有限元方法

引入了一种求解波导本征值问题的高效而精确算法-比例边界有限元方法SBFEM (Scaled Boundary Finite Element Method).该方法的一个特点是只需在边界上进行离散,问题降低一维,使计算工作量大大减少;另一特点是所建立的控制方程为二阶常微分方程,可以解析地求解,使计算精度得到了保证.论文利用变分原理并通过比例边界坐标变换,推导了TE波和TM波波导的比例边界有限元频域方程以及波导动剐度方程,同时给出了波导动刚度矩阵的连分式解形式,通过引入辅助变量进一步得出波导特征值方程并求出波导本征值.以矩形、L形波导和叶型加载矩形波导的本征问题分析为例,通过与解析解及其他数值方法比较,结果表明,此方法具有精度高、计算工作量小的优点,而且随着连分式阶数增加收敛速度快.进一步分析了一类角切四脊正方形波导的传输特性.     

广义参变本构模型分析

本文考察了力和(或)位移受给定条件控制的结构单元。这种控制条件可由线性化折线型本构关系表征,其本构关系是广义的,包括弹性、塑性、接触及其组合单元。借助于参变量变分原理和分级方法,具有广义本构关系单元的结构可以得解。所提出的方法还可直接用于解断裂问题。     

Rigid finite element and limit analysis

According to the lower bound theorem of limit analysis the Rigid Finite Element Method (RFEM) is applied to structural limit analysis and the linear programmings for limit analysis are deduced in this paper. Moreover, the Thermo-Parameter Method (TPM) and Parametric Variational principles (PVP) are used to reduce the computational effort while maintaining the accuracy of solutions. A better solution is also obtained in this paper. The project supported by National Natural Science Foundation of China     

Variational principles of perforated thin plates and finite element method for buckling and post-buckling analysis

On the basis of the general theory of perforated thin plates under large deflections^{[1, 2]}, variational principles with deflectionw and stress functionF as variables are stated in detail. Based on these principles, finite element method is established for analysing the buckling and post-buckling of perforated thin plates. It is found that the property of element is very complicated, owing to the multiple connexity of the region. Project supported by National Natural Science Foundation of China.