多参量断裂力学广义杂交/混合裂纹有限元法

通过研究广为人知的断裂力学单变量八节点位移裂纹QPE元和Akin族奇异单元法，本文运用经典局部裂纹解析解，与非协调假设应力杂交-混合元列式方法相结合，提出用于分层各向异性材料的多变量半解析假设应力奇异广义杂交／混合裂纹有限元法，能克服现有位移裂纹元法的域应力分布精度低和高次单元所需计算容量大的局限性，互为补充，更有利于结构裂纹扩展分析和应用研究。文中设计了一个半解析奇异裂纹平面单元，各向同性材料板算例验证了退化二次八节点协调位移裂纹元及六节点非协调奇异应力裂纹元，说明采用稀疏及加密单元网格，两类裂纹单元分别从上下逼近收敛于实验和理论参考解，可得到吻合程度较好的1／√r奇异应变和应力分量以及应力强度因子值，表明了本文奇异裂纹单元理论的优越性。     

一种三维体罚平衡应力杂交元

主要研究三维体罚平衡杂交元理论并建立相应的单元模型，采用罚平衡方法可以在不增中自由度的前提下，有效地扼制寄生应力，从而大幅度提高畸变网格下的计算精度，所给算例对８节点空间六面体单元（ＤＭ８）、优化杂交元和该文得出的单元进行了比较，证明了这一点，文中还尝试将该文 于方板和不可压缩问题的计算，得出了令人满意的结果。     

轴对称横观各向同性热弹性圆柱的分解

为了得到精确的应力场、位移场、温度场,将扭转圆轴的精化理论研究方法推广到轴对称横观各向同性热弹性圆柱。利用Bessel函数以及轴对称横观各向同性热弹性圆柱的通解,给出了轴对称横观各向同性热弹性圆柱的分解定理。根据柱面齐次边界条件获得了精确的精化方程,精化方程可以分解为一阶方程、超越方程、温度方程,从而将横观各向同性热弹性圆柱的轴对称问题分解为轴向拉压问题、超越问题、热-应力耦合问题。超越部分对应端部自平衡情况,可以清晰地了解到端部应力分布对内部应力场的影响,热-应力耦合部分对应无外加应力场时圆柱内部因温度变化引起的热应力。     

横观各向同性体应力波传播问题的特征分析

本文根据广义特征理论，对横观各向同性体轴对称弹性波传播问题进行了理论分析。提出了一个简化特征分析的方法，这种方法将成为应用特征线法求解种类各向异性应力波问题的一个突破口。     

拟协调九参数三角形板单元的性态分析

本文利用九参数三角形板单元,对拟协调元方法作了一系列的性态分析。文中着重讨论了单元内和单元边界上位移插值函数对收敛性的影响;论述了选择假设应变场的原则。对于引入场变量平衡条件时单元的性质及拟协调元和杂交元的联系和区别进行了分析,同时并给出了用拟协调元方法构造杂交应力模型的一般列式。     

横观各向同性体应力波传播问题的特征分析

本文根据广义特征理论,对横观各向同性体轴对称弹性波传播问题进行了理论分析。提出了一个简化特征分析的方法,这种方法将成为应用特征线法求解各类各向异性应力波问题的一个突破口。     

横观各向同性饱和介质非轴对称动力响应分离变量解Separation of variables solution of non-axisymmetrical dynamic response of transversely isotropic saturated porous media

首先将横观各向同性饱和弹性多孔介质非轴对称问题的Bio t波动方程,变换为适宜于进行分离变量法求解的形式;然后在非轴对称简谐激励下,用分离变量法得到Bio t方程的一般解,即用分离变量法求得了多孔介质位移和应力分量的解析表达式;并给出了半空间横观各向同性饱和弹性多孔介质在表面竖向简谐荷载作用下表面竖向位移的数值分析结果,得出载荷对30倍受载半径以外的区域几乎无影响的结论。同时表明了本文的分析方法是切实可行的。     

横观各向同性饱和介质非轴对称动力响应分离变量解

首先将横观各向同性饱和弹性多孔介质非轴对称问题的Biot波动方程,变换为适宜于进行分离变量法求解的形式;然后在非轴对称简谐激励下,用分离变量法得到Biot方程的一般解,即用分离变量法求得了多孔介质位移和应力分量的解析表达式;并给出了半空间横观各向同性饱和弹性多孔介质在表面竖向简谐荷载作用下表面竖向位移的数值分析结果,得出载荷对30倍受载半径以外的区域几乎无影响的结论。同时表明了本文的分析方法是切实可行的。     

轴对称组合弹性体初应力分析的边界元传递矩阵法

基于边界元与传递矩阵法耦合基础上，提出了一种分析轴对称组合弹性体初应力的新方法。利用边界元和传递矩阵进行分域计算轴对称组合弹性体的初应力，无需在整个结构上进行矩阵组装，只需在轴对称子午面的边界上进行离散。故该方法具有输入数据少，计算精度高及所需计算机内存小等优点，适合在微机上求解大型复杂轴对称组合结构问题。文中给出了一个组合厚壁圆筒的计算实例，分别与有限元解和理论解进行比较；结果表明：本文所提出的     

横观各向同性轴对称界面端奇异性研究

套筒模型是复合材料中常用的进行纤维、基体间应力传递分析的轴对称模型.在套筒模型中,中心为纤维,纤维外包裹的"套筒"有假设为各向同性基体材料的,也有假设为横观各向同性复合材料的.不失一般性,本文将纤维和基体均视作横观各向同性材料,建立了任意楔形角的横观各向同性复合材料基体包裹横观各向同性纤维的轴对称模型,采用两次坐标变换、逐次渐近等求解方法,得到了求解该模型界面端应力奇异性指数的特征方程.考虑常见的碳纤维/环氧树脂复合材料制成的压入和拔出试件,根据得到的特征方程计算了两种试件的界面端奇异性指数随碳纤维体积百分含量的变化情况,结果发现,随纤维体积百分含量的增加,两种试件界端的奇异性均呈减弱趋势.     

非线性有限元分析的非协调模式及存在的问题

利用非协调模式提高非线性有限元分析广泛采用的低阶单元的精度和性能,是国际计算力学界研究的热点和难点.阐述了国际上在非线性有限元分析中已广泛采用的增广假设应变法方法(the enhanced assumed strain, EAS)的基本原理,详细讨论了非协调模式用于非线性有限元分析保证收敛、稳定的条件及增广假设应变场插值函数的构造方法.介绍了国内学者关于几何非线性非协调模式的研究方法和研究成果: (1)从Hellinger-Reissner广义变分原理出发,提出了几何非线性非协调模式的收敛条件,并采用非线性计算的若干简化措施建立几何非线性非协调元的简化模型;(2)一类放松单元间协调要求的非线性广义变分原理,对几何非线性问题可以选择事先无协调约束的非协调函数建立非协调元,收敛性可以保证,并根据此非线性广义变分原理可建立C$^1$或C$^0$类几何非线性广义杂交元,C$^1$或C$^0$类精化杂交元和精化直接刚度法.指出了EAS方法用于非线性有限元分析存在的问题,即本构关系和求解方法的限制,并对非协调元应用于非线性有限元分析提出了展望.      

APPLICATION OF PENALTY FUNCTION METHOD IN ISOPARANIETRIC HYBRID FINITE ELEMENT ANALYSIS

IntroductionSince T.H.H.Pain firstly puts forward hybrid element method[1]in1964, the researchand application of hybrid element have got great development. T.H.H.Painet al.havemade important pioneer works in the domain of the research on incompatible displacementstructure hybrid elementstress pattern[2,3]in recentdecades. Reference [4] had provided theoptimizing design concept of hybrid element further and established standardization methodof incompatible displacement structure hybrid eleme…     

APPLICATION OF PENALTY FUNCTION METHOD IN ISOPARAMETRIC HYBRID FINITE ELEMENT ANALYSIS

By the aid of the penalty function method, the equilibrium restriction conditions were introduced to the isoparametric hybrid finite element analysis, and the concrete application course of the penalty function method in three-dimensional isoparametric hybrid finite element was discussed.The separated penalty parameters method and the optimal hybrid element model with penalty balance were also presented. The penalty balance method can effectively refrain the parasitical stress on the premise of no additional degrees of freedom. The numeric experiment shows that the presented element not only is effective in improving greatly the numeric calculation precision of distorted grids but also has the universality.     

基于转换矩阵的FEM/MLPG耦合算法

首次基于有限元的转换矩阵(TMF)和无网格的转换矩阵(TMM),提出有限单元法(FEM)和无网格局部彼得罗夫-伽辽金法(MLPG)的耦合算法。编制了相应算法的三维程序,计算分析了三维柱体的拉伸和弯曲问题,并将计算结果与ABAQUS软件计算结果以及理论解进行了比较。结果表明,本文给出的耦合算法计算精度高,收敛性好,可以用以模拟裂纹扩展等问题。     

基于静力响应面的结构有限元模型修正方法

提出了基于静力响应面的结构有限元模型修正方法.运用响应面方法,将结构静力响应和结构参数之间复杂的隐式关系用显式函数近似表达出来;在此响应面模型(函数)基础上,通过优化计算对结构有限元模型参数进行修正.阐述了基于静力响应面的结构有限元模型修正方法的基本理论和一般实现过程.对两跨连续梁结构的静力模型修正数值算例分析结果表明:基于静力响应面的有限元模型修正方法可以减少结构有限元计算的次数、提高模型修正的优化效率,结构有限元模型修正结果具有可接受的精度.     

Axisymmetric viscoplastic deformation by the boundary element method

This paper presents a boundary element formulation and numerical implementation of the problem of small axisymmetric deformation of viscoplastic bodies. While the extension from planar to axisymmetric problems can be carried out fairly simply for the finite element method (FEM), this is far from true for the boundary element method (BEM). The primary reason for this fact is that the axisymmetric kernels in the integral equations of the BEM contain elliptic functions which cannot be integrated analytically even over boundary elements and internal cells of simple shape. Thus, special methods have to be developed for the efficient and accurate numerical integration of these singular and sensitive kernels over discrete elements. The accurate determination of stress rates by differentiation of the displacement rates presents another formidable challenge.A successful numerical implementation of the boundary element method with elementwise (called the Mixed approach) or pointwise (called the pure BEM or BEM approach) determination of stress rates has been carried out. A computer program has been developed for the solution of general axisymmetric viscoplasticity problems. Comparisons of numerical results from the BEM and FEM, for several illustrative problems, are presented and discussed in the paper. It is possible to get direct solutions for the simpler class of problems for cylinders of uniform cross-section, and these solutions are also compared with the BEM and FEM results for such cases.     

横观各向同性材料轴对称问题基本解

从横观各向同性材料的基本解出发,用积分的方法得到了轴对称问题的基本解,对于材料特征Ｓｉ互不相等的两种可能情形都给出了表达式,因此,可直接退化得到各向同性材料轴对称问题基本解。     

Experimental and FEM study of windshield subjected to high speed bird impact

Both experimental and finite element model (FEM) results are presented for the dynamic strength behavior of windshield subjected to bird impact. The experimental data taken from a series of high speed photographs are compared with the numerical results predicted by using FEM in which the windshield was modeled entirely with solid elements and the bird body was approximately simulated by an elastic-plastic material with failure element behavior. Effective plastic strain and element pressure were adopted as the failure criteria and once the pressure or the effective plastic strain of an element reached the critical value, the element would lose the tensile resistance capability completely. The deflection and stress distribution in the windshield were obtained. It is shown that the result from the finite element analysis agrees with those from the full-scale bird impact test. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10272011)     

从矩阵位移法看有限元应力精度的损失与恢复

矩阵位移法在计算杆端力时须叠加一个“固端力”项，而在有限元法中结点（应）力是直接对位移求导获得的，丢失了“固端力”一项，致使应力的精度大为下降．其实，对于一维有限元，同样可以对结点力叠加一个“固端力”项，使结点内力的精度与位移不相上下，而且这一做法几乎可以直接推广到半解析的有限元线法的二维问题中．本文简要介绍这一最新研究的思路、做法和一些初步的数值结果．