Hybrid graded element model for transient heat conduction in functionally graded materials

This paper presents a hybrid graded element model for the transient heat conduction problem in functionally graded materials (FGMs). First, a Laplace transform approach is used to handle the time variable. Then, a fundamental solution in Laplace space for FGMs is constructed. Next, a hybrid graded element is formulated based on the obtained fundamental solution and a frame field. As a result, the graded properties of FGMs are naturally reflected by using the fundamental solution to interpolate the intra-element field. Further, Stefest’s algorithm is employed to convert the results in Laplace space back into the time-space domain. Finally, the performance of the proposed method is assessed by several benchmark examples. The results demonstrate well the efficiency and accuracy of the proposed method.     

数值流形方法中线性相关性问题的研究

数值流形方法的形函数由覆盖函数和局部近似函数组成,形函数之间往往存在线性相关性。在现有研究成果的基础上对形函数线性相关性进行了分析,指出线性相关性的根源在于覆盖函数具有单位分解特性,并与单元形状有关。研究了线性相关性与整体刚度矩阵奇异性以及求解收敛性之间的关系,指出形函数线性相关不一定导致整体刚度矩阵奇异。对8结点六面体高阶流形单元的局部近似函数及单元形状与线性相关性之间的关系进行了分析,构造出一种完全线性独立的流形单元。通过算例分析了8结点六面体流形单元局部近似函数中一次完全多项式对求解精度和收敛性的影响,发现采用一次完全多项式局部近似函数的形函数虽然线性相关,但求解仍然收敛,且精度高于线性无关的单元。     

基于辛弹性力学解析本征函数的有限元应力磨平方法

在实际工程结构的结构强度与优化等力学数值分析中,应力计算结果的精度是非常重要的。有限元法是得到最广泛应用的一类数值方法,并形成了众多通用的有限元程序系统。这些程序系统采用的几乎都是基于最小总势能的位移法,虽然其分析给出的有限元位移场具有较高的精度,但所得到的有限元应力场的精度较位移场大大降低。基于极坐标辛对偶体系所提供的平面弹性力学的解析辛本征展开解,并借用有限元程序系统所得到的节点位移,本文提出了一个应力分析的改进方法。数值结果表明,本方法给出的应力分析精度得到大幅提高,并具有良好的数值稳定性,可用于有限元程序系统的后处理,以提高应力尤其是关键区域应力的分析精度。     

Mixed finite element and differential quadrature method for free and forced vibration and buckling analysis of rectangular plates

This paper presents a combined application of the finite element method (FEM) and the differential quadrature method (DQM) to vibration and buckling problems of rectangular plates. The proposed scheme combines the geometry flexibility of the FEM and the high accuracy and efficiency of the DQM. The accuracy of the present method is demonstrated by comparing the obtained results with those available in the literature. It is shown that highly accurate results can be obtained by using a small number of finite elements and DQM sample points. The proposed method is suitable for the problems considered due to its simplicity and potential for further development.     

Nonconforming stabilized combined finite element method for Reissner-Mindlin plate

Based on combination of two variational principles, a nonconforming stabilized finite element method is presented for the Reissner-Mindlin plates. The method is convergent when the finite element space is energy-compatible. Error estimates are derived. In particular, three finite element spaces are applied in the computation. Numerical results show that the method is insensitive to the mesh distortion and has better performence than the MITC4 and DKQ methods. With properly chosen parameters, high accuracy can be obtained at coarse meshes.     

考虑粘性作用情况下船在船厢中运动的水动力学分析

从根据浅水特性在垂直方向所平均化的N-S方程出发,利用有限元计算船舶进出船厢时的水动力学过程和船舶运动过程中的升沉、纵倾及船舶与厢底的最小间隙.由于在平均过程中保留了粘性项,同时产生了底摩擦项,使得到的数学方程更接近真实物理问题,另一方面也增加数值计算的稳定性.本文提出了随非惯性系一起运动的开边界的辐射条件.关于压力的求解,在船底与自由表面分别利用压力泊松方程求压力及自由表面利用连续方程求波高的求解方法.由针对三峡升船机的数值模拟的计算结果看,计算结果合理,计算方法稳定.     

一种抗单元逆转的软组织有限元模型

由于Green应变具有单元翻转不变性,在大变形的仿真中有可能会出现单元的逆转,破坏模型网格的拓扑结构,导致仿真失败,因此提出一个新的有限单元模型,在采用Green应变度量变形同时把单元体积变化率和单元内压强关系引入到本构方程中,解决单元逆转问题;同时,模型导出的单元弹性势能是单元结点位移的多项式函数,有效地简化了共轭梯度法的求解,效率显著提高.实验结果表明,该模型可以应用于软组织大变形的实时仿真中.     

高填方路堤强夯效果的现场检测及三维有限元模拟

针对河南某岩石碎渣高填方路堤,提出了夯击能1000kN·m、虚铺厚度1.5m的强夯施工工艺,对试验段进行了现场检测：地质雷达波形较好地反映强夯后虚铺层厚度的减小幅度,并可判断强夯水平有效加固范围为4m,瑞利波速沿深度变化比较均匀,平均值达到了310m·s-1,重型动力触探结果表明试验段达到中密程度,灌水法测得的固体体积率都达到了83%以上,上述检测结果说明强夯的加固效果比较理想。采用ABAQUS有限元分析软件,将夯锤简化为刚性体,通过施加竖向初速度的方式模拟了强夯作用,结合雷达测试结果,认为夯沉量20mm可作为强夯的有效加固范围,最后模拟了存在涵洞结构物的路堤的强夯作用,指出涵洞上方路堤厚度必须达到8m以上,才能保证强夯安全作业。     

MPS-FEM数值分析带自由面的流固耦合问题

随着计算科学的发展,研究人员为探索流固耦合问题的物理机理而提出了众多的数值方法。其中,耦合的移动粒子半隐式方法 MPS(Moving Particle Semi-Implicit method)和有限单元法FEM(Finite Element method)为流固耦合问题的数值仿真工作提供了新的途径。本文所有流场的数值模拟工作均采用课题组自主开发的无网格法求解器MLParticle-SJTU来完成。该求解器在原始的MPS法基础上,对核函数、压力梯度模型、压力泊松方程的求解和自由面判断方式等方面进行了改进。此外,在该求解器框架内,基于FEM法拓展了针对结构场进行求解的功能。首先,对MPS和FEM方法的理论模型及其耦合策略进行了介绍。然后,采用该自研MPS-FEM耦合求解器,数值模拟了溃坝流动对弹性结构的冲击及其相互作用的标准问题。通过将结构变形及自由面波型变化等结果与已发表结果进行对比,验证了该求解器在处理带自由面剧烈变化的粘性流体和柔性变形结构的耦合作用问题上的可行性。     

计算超薄镜最接近球面的非球面梯度法及有限元分析

利用超薄镜的弹性变形,通过主动光学技术将超薄球面镜变形为所需精度的非球面镜,可以避开大口径超薄非球面镜的制造难题。在分析了传统的非球面超薄镜最接近球面选择原则的基础上,提出了以非球面梯度作为选择原则的依据。针对一个实例,用非球面梯度法和最小二乘法分别求出两个最接近球面并对它们进行有限元法的变形分析,对它们变形后的面形精度和最大应力进行了比较。结果表明,在相同的边界条件、加载个数和加载位置的条件下,以非球面梯度法求出的最接近球面在变形后不仅应力小,且更有利于提高面形精度。