基于平面弹性—板弯曲模拟关系的薄板有限元列式——从膜单元到薄板单元

本文全面讨论了基于平面弹性－－板弯曲模拟关系的薄板有限单元的理论和方法,由于直接对弯矩函数进行插值,c1连续性的要求得以自然避免,薄板单元可以直接在c0连续的层面上加以构造,无需借用Reissner-Mindlin的中厚板理论,由之引发的闭锁问题也得以避免,本文系统地阐明了平面弹性膜单元与薄板弯曲单元的对应关系,及由平面弹性膜单元的向薄板弯曲单元转换的一整套方法。为薄板单元的构造提供了一条新的有余的途径,文中给出了对应于平面弹性膜单元CST,LST,Q4,Q8的薄板单元,我们称之为MPS板单元,MPS板元以挠度和转角为自由度,便于实际应用,和其它板单元相比具有非常高的精度。     

曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析

相比传统加筋板,曲线加筋板能够更充分地发挥材料力学性能.在加筋板力学分析中,厚板通常采用Reissner-Mindlin理论,然而当板厚较薄时易出现剪切自锁,离散的Kirchhoff-Mindlin理论采用假设剪切应变场可避免该问题.针对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析,采用离散的Kirchhoff-Mindlin三角形单元和Timoshenko曲梁单元分别模拟板和加强筋,根据板的位移插值函数及筋板交界面的位移协调条件,建立基于板单元位移自由度的有限元方程.为了验证方法的有效性和准确性,采用直线加筋薄板、曲线加筋薄板和厚板3种模型进行算例研究,通过收敛性和精度分析来选择合理的有限元网格密度.直线加筋薄板前20阶固有频率均与文献结果吻合良好;曲线加筋板算例中,本文方法满足收敛条件的板单元数目为2469,Nastran模型板单元数目为6243;本文所得曲线加筋板固有频率与Nastran计算结果最大误差为3.4%.研究结果表明,本文方法无需筋板单元共节点,可使用较少的有限元网格数量,并能够保证计算精度;在离散Kirchhoff-Mindlin三角形板单元基础上构造Timoshenko梁单元可同时适用于曲线加筋薄板与厚板自由振动分析.     

厚薄板通用三角形位移元

本文构造出了一种具有九个自由度的厚薄板通用三角形位移单元，并给出了单元刚度矩阵显式。这种单元以其简洁的常规位移元列式可在相当宽的板厚变化范围内（包括板厚为零）获得很高的计算精度，其结果可与相应的矩形单元相比。而且不会出现剪切自锁。     

厚薄板通用三角形广义协调元TCGC-T9的固有振动分析

研究了厚薄板通用三角形广义协调单元TCGC-T9的固有振动特性.通过编制程序,采用子空间迭代法求得不同板厚的前5阶固有频率值,并将计算结果与理论解和有限元软件ABAQUS的结果进行比较.结果表明:TCGC-T9单元在固有振动分析方面收敛速度快,数值稳定性好、实用性强(无需区分厚板和薄板).     

中厚板弯曲问题的自然单元法

自然单元法是一种新兴的无网格数值计算方法,基于Reissner-Mindlin板弯曲理论,将自然单元法应用于平板弯曲问题的计算中,给出了相关的公式,推导了总体刚度矩阵和荷载列阵的计算列式.算例分析表明,自然单元法应用于中厚板的弯曲问题具有较高的计算精度,并可用于Winkler地基上基础板的计算.同时指出,对于厚跨比较小的薄板,由于对挠度和中面法线转角采用相同的插值形式,当板厚变薄时夸大了虚假的剪切变形影响,因而表现出剪切自锁现象.对进一步开发厚薄板通用的计算程序作了初步探讨.     

基于有限条带的厚/薄板矩形通用单元

基于两广义位移梁理论，利用解析试函数来建立厚／薄梁单元的横向位移、转角位移、曲率、剪应变等位移模式，构造出厚／薄梁通用单元．应用有限条带，将厚／薄梁单元的位移模式应用于厚／薄板矩形弯曲单元，直接构造出单元的横向位移、转角、曲率、剪应变，导出了单元的刚度矩阵和结点等效力，编制了计算程序，进行了数值计算和比较，结果表明，所研究的单元不出现剪切闭锁且精度较好．     

十六结点四十自由度相对位移板壳单元

本文从三维弹性理论出发,构造了一个新的能很好反映横向剪切变形影响的十六结点四十自由度等参板壳元。为克服直接引用三维公式系统所造成的数值方面的困难,引入了相对位移。对于曲壳单元,采用正交曲线坐标系,大大加快了计算速度。算例表明,新单元与八结点四十自由度厚壳单元有相同的精度。由于新单元由三维单元退化而成,它便于与三维单元连接,便于计算变厚度壳。     

基于面积坐标和解析试函数的厚薄通用板单元

求出了Mindlin-Reissner厚板理论控制方程的基本解析解,以其作为试探函数构造了两个基于第二类四边形面积坐标的广义协调厚薄通用板单元AATF-PQ4a和AATF-PQ4b;在此基础上计算了承受均布荷载方板的中心挠度和中心弯矩。结果表明:两种单元随网格加密而趋近于精确解,表现出较高的精度和较好的收敛性,而且AATF-PQ4b的收敛速度比AATF-PQ4a快;对于薄板极限情况,这两种厚薄通用板单元自动退化为薄板单元,完全无剪切闭锁现象发生;两种板单元均对网格畸变不敏感,具有较好的稳定性,适用于实际工程计算。     

样条厚薄板通用矩形单元

本文利用样条分段插值表示式,借助于最小势能原理,构造了二次样条及三次样条厚薄梁通用单元的位移模式,并推广到二维问题上去,建立了双二次样条及双三次样条厚薄板通用单元。文中给出的算例表明,这些单元均具有自由度少,连续性强,精度高的优点。     

新的一个求解带孔薄板弹性问题的二维杂交应力单元

建立了一个新的求解带圆孔薄板弹性问题的二维杂交应力单元,该单元为四节点四边形平面单元,名为P-HS4-8β。由极坐标系下的物理方程和几何方程求解出了一个极坐标方向的应力,通过将这个应力带入由Hellinger-Reissner原理推导的极坐标系下平面应力问题的能量方程中,得到了消除了该应力的能量方程,基于这个能量方程建立了杂交应力单元列式。根据圆孔边无外力条件和相容方程,推导了适用于求解带圆孔薄板问题的极坐标系下的二应力插值矩阵,并将此矩阵应用于新的有限单元列式中。数值算例表明新单元在求解孔边附近的应力时具有较高的精度。     

基于高阶剪切变形理论的四边形求积元板单元及其应用

近年来由各类新型复合材料或功能梯度材料构成的板结构在工程领域得到了广泛应用,其显著特点是材料性能沿板厚变化.为合理考虑横向剪切应变,许多学者基于Reddy高阶剪切变形理论,构建了不同的有限元单元对该类板结构进行分析,但其中满足$C^{1}$连续条件的单元相对较少.本文基于Reddy高阶剪切变形理论,采用求积元方法,建立了$C^{1}$连续的四边形板单元.利用该单元对均质材料、复合材料、功能梯度材料构成的等厚度矩形板、变厚度矩形板及等厚度斜板的线弹性弯曲和自由振动问题进行了计算分析,并与现有文献中的相应计算结果进行了对比.研究表明:基于高阶剪切变形理论的四边形求积元板单元具有较高的计算效率和良好的适应性,文中各类材料构成的等变厚度矩形板及等厚度斜板均只需1个单元即可得到理想的计算结果.对于等/变厚度矩形板,可仅使用9$\times$9个积分点,而对于等厚度斜板,随着斜角的增大,所需积分点的数目逐渐增多至15$\times $15.该四边形求积元板单元可进一步用于新型复合材料板的非线性分析.      

A NEW HYBRID QUADRILATERAL FINITE ELEMENT FOR MINDLIN PLATE

ＡＮＥＷＨＹＢＲＩＤＱＵＡＤＲＩＬＡＴＥＲＡＬＦＩＮＩＴＥＥＬＥＭＥＮＴＦＯＲＭＩＮＤＬＩＮＰＬＡＴＥＣｈｉｎＹｉ（秦奕）（ＴｉａｎｊｉｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ）ＺｈａｎｇＪｉｎｇ－ｙｕ（张敬宇）（Ｉ...     

一种厚板薄板通用的新型广义协调元

在适用于中厚板的八结点平板弯曲单元基础上，通过引入剪应变与位移的广义协调条件，建立起一种新型广义协调元，不仅保留了原单元适用于中厚板的特点，同时对薄板也给出了较精确的解，是一种厚板和薄板通用的新型广义协调元。     

A new twelve DOF quadrilateral element for analysis of thick and thin plates

A simple quadrilateral 12 DOF plate bending element based on Reissner–Mindlin theory for analysis of thick and thin plates is presented in this paper. This element is constructed by the following procedure:

• 1.the variation functions of the rotation and shear strain along each side of the element are determined using Timoshenko's beam theory; and
• 2.the rotation, curvature and shear strain fields in the domain of the element are then determined using the technique of improved interpolation.

The proposed element, denoted by ARS-Q12, is robust and free of shear locking and, thus, it can be employed to analyze very thin plate. Numerical examples show that the proposed element is a high performance element for thick and thin plates.     

Geometrically nonlinear analysis of mindlin plate using the incompatible bending elements with internal shear strain

ＧＥＯＭＥＴＲＩＣＡＬＬＹＮＯＮＬＩＮＥＡＲＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＭＩＮＤＬＩＮＰＬＡＴＥＵＳＩＮＧＴＨＥＩＮＣＯＭＰＡＴＩＢＬＥＢＥＮＤＩＮＧＥＬＥＭＥＮＴＳＷＩＴＨＩＮＴＥＲＮＡＬＳＨＥＡＲＳＴＲＡＩＮＪｉａｏＺｈａｏ－ｐｉｎｇ（焦兆平）（Ｓｏｕｔ...     

一种考虑横向剪切变形的三角形板弯曲单元

本文从部分协调的三角形薄板弯曲单元出发,并假设横向剪切应变在单元内线性变化,提出了一种考虑横向剪切变形的具有15个自由度的三角平板弯曲单元。该单元应用于薄板和中等厚度板分析均有较高的精度,计算效率高,可用于工程中具有复杂形状的薄板和中等厚度板结构的分析。     

含裂纹金属薄板胶接补强的应力分析

本文应用弹塑性有限元分析胶接补强的含裂纹薄板结构,剪切单元被改进使之可连结平面等参单元并用于分析胶层应力。计算了补强后裂纹板的应力强度因子,并将计算结果与实验数据作了比较,分析表明,胶接补强可显著降低裂尖的应力集中,使裂纹板内应力分布趋于均匀。     

含裂纹金属薄板胶接补强的应力分析

本文应用弹塑性有限元分析胶接补强的含裂纹薄板结构,剪切单元被改进使之可连结平面等参单元并用于分析胶层应力。计算了补强后裂纹板的应力强度因子,并将计算结果与实验数据作了比较,分析表明,胶接补强可显著降低裂尖的应力集中,使裂纹板内应力分布趋于均匀。     

An eight noded composite plate element for the dynamic analysis of spatial mechanism systems

The development of a shear-deformable laminated plate element, based on the Mindlin plate theory, for use in large reference displacement analysis is presented. The element is sufficiently general to accept an arbitrary number of layers and an arbitrary number of orthotrophic material property sets. Coordinate mapping is utilized so that non-rectangular elements may be modeled. The Gauss quadrature method of numerical integration is utilized to evaluate volume integrals. A comparative study is done on the use of full Gauss quadrature, reduced Gauss quadrature, mixed Gauss quadrature, and closed form integration techniques for the element. Dynamic analysis is performed on the RSSR (Revolute-Spherical-Spherical-Revolute) mechanism, with the coupler modeled as a flexible plate. The results indicate the differences in the dynamic response of the transverse shear deformable eight-noded element as compared to a four-noded plate element. Dynamically induced stresses are examined, with the results indicating that the primary deformation mode of the eight-noded Mindlin plate model being bending.     

Triangular elements for Reissner-Mindlin plate

I-IntroductionInrecentyearsmuchresearchefforthasbeenspentonthedevel0pmentofreliableandefficientplateelementsbasedonReissner-Mindlintheory.Adifficultyisthelockingbehaviorexhibitedasl- 0(tisthethicknessoftheplate)forlowerorderc'elements.BasedonTaylorexpendi…