桁架结构的边界单元法

本文将边界元法应用于离散型结构体，以规则的平面桁架作为计算对象，计算出“连续体”的结点位移（原结构结点位移），反算杆件内力．同有限元结果进行了比较，结果表明，方法可行，精度有保证，效率比有限元高，有工程应用前景     

三维粘弹性层状半空间埋置集中荷载动力格林函数求解—修正刚度矩阵法

针对三维粘弹性层状半空间埋置集中荷载作用下动力响应问题,在柱面坐标下,结合径向Hankel积分变换,提出了一种新的求解方法—修正刚度矩阵法。方法基于位势函数理论,将三维问题分解为平面内反应(P-SV波型)和平面外反应（SH波型）两个二维问题的叠加;借鉴结构力学中超静定结构的位移法原理,首先固定荷载所在层的上下界面,通过对波动方程的特解和齐次解叠加得到“固端”反力。进而放松两“固端约束”,利用直接刚度法求得各层面位移,荷载作用层内反应另需叠加上该“固定层”内解,并将特解部分积分（直达波）由全空间解析解代替,解决了当接收点和源点作用水平面接近时的积分收敛问题。算例分析表明,对于低频（可退化为静力状态）和高频问题,本文方法均具有很高的计算效率和精度。     

功能梯度材料开裂三点弯曲试件的裂纹端应力强度因子

本文利用能量释放率法计算功能梯度材料开裂三点弯曲试件的裂纹端应力强度因子。在给定力作用下算出裂纹长度为“a”和“a △a”时的二组解，解中包括集中力作用处的位移。从二组解中的相应位移改变值便可以决定出能量释放率。再从能量释放率可以算出裂纹端应力强度因子。本文用有限元方法计算开裂三点弯曲试件的位移。正因为利用了能量释放率法，即利用一种间接法来求裂纹端应力强度因子，从而可用常规有限元来解决问题。     

含面内转动自由度的广义协调曲面矩形扁壳元

扁壳单元中引入结点转角自由度可以在不增加结点的情况下,增加位移场的阶次,提高计算精度,从而显著地提高单元性能。同时在单元中引入泡状位移场,能有效地扩大了单元位移场的解空间,所构造的单元具有计算精度高、对计算网格畸变不敏感的优良特性。本文利用广义协调薄板单元RGC-12的位移函数作为扁壳元的法向位移,利广义协调矩形膜元的位移函数作为扁壳面的切向位移,通过附加面内转动自由度构造了一个具有24个自由度的4结点广义协调曲面矩形扁壳元GRC-S24。在此基础上再增加一个广义泡状位移,又构造了一个具有更高计算精度的曲面矩形扁壳元GRC-S24M。并通过实例分析对这两个单元的收敛性和精度进行了验证。     

连续梁的多结点力矩分配法

 计算了连续梁在结点力偶荷载作用下柔度矩阵的表达式，在此基础上，提出了 多结点力矩分配法. 对于一个承受任意荷载的$N$个结点的连续梁，该方法同时松开多个 结点，通过迭代获得各结点转角值，然后利用杆件的转角位移方程就可获得杆端弯矩的值. 该方法综合了位移法和力矩分配法的优点，较传统力矩分配法可显著减少计算工作量.     

复杂厚板的条形传递函数解

建立了规则区域厚板混合状态变量的条形传递函数解,通过定义结点变量,并利用结点位移连续和力平衡条件,将多个简单子区域的解进行组装,从而得到了复杂形状,复杂边界条件厚板的条形传递函数解,由于条形传递函数法的节点位移变量与有限元法的节点位移变量完全一致,可将简单矩形板的条形传递函数解作为一个超东级单元,直拉将超级单元和有限元单元进行综合,可以得到复杂板的条形传递函数解,进一步增强了条形传递函数法对复杂反问题的适应性。     

结构动态应力计算方法研究

复杂结构动态应力的准确计算是一个没有圆满解决的问题。本文以最小余能原理为基础，提出了计算结构动态应力的最小伤痛有法。该方法采用二次分析思想，首先采用常规有限元对结构进行适当离散，计算输出结构所需应力区域的有限元结点位移和加速度动力时程反应，再应用最小余能法计算所求部位的动态应力值。这种方法的优点是它可以与现有的有限元程序有机结合，方便使用；动应力在区域内的分布规律可以由计算者根据具体情况而确定，一般情况下，可以选用二次曲线来逼近动应力在区域内的实际分布，避免了常规有限元法计算结构动应力时必须对单元形函数求导的做法，从而提高了动应力计算精度。计算结果表明：本文方法计算结构动态应力结果较常规有限元法的计算结果有明显改进，特别是当结构变化剧烈时，改进效果更为明显。     

影响函数与有限元应力计算

用有限元法得到位移场后,总要计算应力场。通常的做法是对位移进行微商计算应变,再根据应力-应变关系计算应力。有限元位移计算的精度比较高,但通过用位移微商来计算应力,精度会大大降低。本文利用Hamilton对偶体系的已有成果,解析求解位移和应力的影响函数,利用有限元法计算得到的位移和节点力,通过功的互等定理,可以求得一点的应力值。因影响函数是分析解,而且计算应力时不必进行微商,应力精度大幅提高。数值结果表明该方法是可行的和有效的。由该方法编制成的计算程序,可作为有限元通用程序应力计算的一个模块,将较大地提高有限元应力计算的精度和稳定性。     

考虑剪力滞后效应的钢-混凝土组合梁力法单元

本文通过在Newmark模型中引入翘曲形函数来描述楼板纵向位移的横向非均匀分布．然后采用虚余功原理建立了考虑剪力滞后效应的钢—混凝土组合梁力法单元。该力法单元严格地满足平衡条件．而仅在积分意义上满足变形协调条件，但具有与通用位移有限元法相一致的刚度矩阵形式。由于受平衡条件的限制结点外力不相互独立，而翘曲位移引起的双弯矩和双剪力使得内力关系变得非常复杂，本文给出了推导力法梁单元内力形函数的通用方法。此外．本文还考虑了梁间荷载的存在对内力形函数的影响。算例分析表明，所提出的力法单元有较高的精度，并发现：在有梁间分布荷载时．采用将梁间分布荷载等效为结点荷载的方法将显著降低应力的精度，而采用高次力法单元对于提高情度没有明显的作用。     

无结点线位移刚架在结点集中力作用下的内力分析

<正> 超静定刚架的内力计算及内力图的绘制,在结构设计中,是一项工作量很大的工作.但在某些特定的情况下,可以基本上不经计算而直接判断某些刚架的弯矩处处为零,其内力的情况如同桁架一样,只产生轴向力.这样,就大大简化了计算过程.无结点线位移刚架承受结点集中力作用时的情况就是如此.本文将用力法     

平面广义四节点等参元GQ4及其性能探讨

广义节点有限元是将传统有限元方法中的节点广义化,在不增加节点个数的前提下,仅通过提高广义节点的插值函数的阶次,从而达到提高有限元解精度的目的.与现有的p型和hp型有限元不同,在这种新的有限元中,节点自由度全部定义在节点处,在理论与程序实现上与传统有限元方法具有很好的相容性,传统有限元方法是这种新方法的广义节点退化为0阶时的特殊情形.文中主要讨论了这一新方法的四节点等参元（记为GQ4）的形式.对GQ4进行的各种数值试验表明,所发展的广义四节点等参单元具有精度高且无剪切自锁与体积自锁等的特点.     

Computer-aided photoelastic analysis of orthogonal 3D textile composites: Part 2. Combining least squares and finite-element methods for stress analysis

An approach combining least squares methods and finite element methods (FEM) is presented for subsequent photoelastic stress analysis of orthogonal 3D textile composites withR and α obtained in Part 1. Through this approach, these photoelastic stresses are obtained over a region of interest as if the composites were homogeneous materials. The least squares method is used for requiring the solution strain fields to best correlate with the distribution of the two photoelastic strain data of ɛ _x − ɛ _y and γ _xy calculated directly from the measuredR and α. The FEM uses the homogenized composite properties to construct the nodal force equilibrium equations as constraints in the least squares formulation. As a result of combining this least squares method and FEM with lagrange multipliers, a linear system of equations is formulated with the unknown nodal displacements. Once these nodal displacements are solved, the strains and stresses can be calculated through FEM formulations. This approach is tested with the two experimental results completed in Part 1 for the aluminum and composite plates. The stresses obtained for the aluminum plate show close agreement with those obtained with the plain FEM computation. In the case of the orthogonal 3D composite plate, the local variations as observed inR and α are already necessarily eliminated from these solved photoelastic stresses. Furthermore, these stresses also match well with those computed with the plain FEM from the homogenized composite properties.     

无网格与有限元的耦合在动态断裂研究中的应用

提出将无网格Galerkin法与有限元耦合的方法用于分析动态裂纹扩展问题,只在裂尖附近区域沿裂纹扩展方向布置无网格结点,而在其他区域采用一般的有限元,区域交界处的结点采用MLS方法插值,然后将求得的结点值再分配到有限单元的相关结点上,保证了无网格区域和有限元区域的交界处位移的连续。避免了网格的再生成,同时也克服了单纯使用无网格Galerkin法所带来的边界条件难处理及计算效率较低的缺点。数值算例显示这种方法是有效的。     

基于绝对节点坐标法的弹性线方法研究

相比于浮动坐标系法, 绝对节点坐标法(absolute nodal coordinateformulation, ANCF)在处理柔性体非线性大变形问题上具有显著优势,ANCF将单元节点坐标定义在全局坐标系下,采用斜率矢量代替节点转角坐标, 具有常数质量阵,不存在科氏离心力等优点, 然而弹性力阵为非线性项,其求解将比较耗时且占用资源. 据此, 在弹性力求解方法中,引入弹性线方法(elastic line method, ELM),该方法将格林--拉格朗日应变张量定义在中心线上,采用曲率公式来定义弯曲应变, 转角公式来定义扭转应变.同时采用有限元法对三维柔性梁位移场进行离散,求解梁单元常数质量阵、广义刚度阵、广义力阵,进而得到单元的动力学方程, 通过转换矩阵得到三维梁的动力学方程.接着从理论上指出连续介质力学方法(continuum mechanics method,CMM)和弹性线方法在求解弹性力上的不同点, 并编制动力学仿真软件.最后分别采用连续介质力学方法和弹性线方法对柔性单摆以及履带式车辆的动力学问题进行仿真分析,结果表明:弹性线方法能在保证精度的前提下有效提高计算效率.      

有限元分析中高精度等值线绘制的自动处理

本文通过引入拉氏因子,以带线性约束最小二乘逼近的Golub方法,很好地处理了结点应力拟合的边值问题.利用三角形快速插值原理求出了等值线,并以CAD为环境绘制了单元图和等值线图,实现了有限元分析中高精度等值线的自动处理.     

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。     

A novel twice-interpolation finite element method for solid mechanics problems

Formulation and numerical evaluation of a novel twice-interpolation finite element method （TFEM） is presented for solid mechanics problems. In this method, the trial function for Galerkin weak form is constructed through two stages of consecutive interpolation. The primary interpolation follows exactly the same procedure of standard FEM and is further reproduced according to both nodal values and averaged nodal gradients obtained from primary interpolation. The trial functions thus constructed have continuous nodal gradients and contain higher order polynomial without increasing total freedoms. Several benchmark examples and a real dam problem are used to examine the TFEM in terms of accuracy and convergence. Compared with standard FEM, TFEM can achieve significantly better accuracy and higher convergence rate, and the continuous nodal stress can be obtained without any smoothing operation. It is also found that TFEM is insensitive to the quality of the elemental mesh. In addition, the present TFEM can treat the incompressible material without any modification.     

Time-dependent hydroelastic analysis of cavitating propulsors

A 3-D potential-based boundary element method (BEM) is coupled with a 3-D finite element method (FEM) for the time-dependent hydroelastic analysis of cavitating propulsors. The BEM is applied to evaluate the moving cavity boundaries and fluctuating pressures, as well as the added mass and hydrodynamic damping matrices. The FEM is applied to analyze the dynamic blade deformations and stresses due to pressure fluctuations and centrifugal forces. The added mass and hydrodynamic damping matrices are superimposed onto the structural mass and damping matrices, respectively, to account for the effect of fluid–structure interaction. The problem is solved in the time-domain using an implicit time integration scheme. An overview of the formulation for both the BEM and FEM is presented, as well as the BEM/FEM coupling algorithm. Numerical and experiment validation studies are shown. The effects of fluid–structure interaction on the propeller performance are discussed.     

NODAL DISPLACEMENT ACCURACY OF ONE-DIMENSIONAL FINITE ELEMENTS

研究高次杆单元和梁单元的节点位移精度问题.首先求出一端固支均匀杆和悬臂梁在任意次多项式形式分布载荷作用下的位移精确解,然后用二次杆单元、五次欧拉梁单元和三次铁木辛柯梁单元求得了节点位移.通过比较有限元解与精确解以及利用静力凝聚方法,发现一次以上杆单元、三次以上欧拉梁单元以及三次以上铁木辛柯梁单元都可以给出精确的端点位移.     

激光加热双层金属薄膜的热弹性研究

基于电子-声子相互作用的双曲两步热传导模型,并计及晶格的热传导效应,利用有限元方法研究了无限大双层金属薄膜在短暂激光冲击下诱导的位移、应力、应变和温度等物理量的演化特点.比较了计及电子热爆发力与不计电子热爆发力对位移、应力等物理量的影响,说明计及电子热爆发力的必要性.研究有利于对微型金属器件受到强热冲击产生破坏与失效的更深层次的理解,具有一定的学术意义和工程应用价值.