温度对介电弹性体材料力电耦合变形的影响

介电弹性体(Dielectric Elastomer,简称DE)材料是一类在电场激励下可以产生大幅度尺寸或形状变化的新型柔性功能材料.DE材料具有非常宽的温度应用范围,这种宽的温度工作范围和快速大变形性能为各种柔性致动器结构提供了良好的基础,但作为一种粘弹性高分子材料,温度对其性能的影响也是非常明显的.然而到目前为止,所有关于DE材料驱动性能的研究仅局限于室温条件下,温度变化对DE材料力电耦合稳定性的影响几乎没有相关报道.基于此,通过实验研究了温度对最常用的DE材料(VHB 4910,3M)力电耦合变形的影响,结果表明:升高温度可以提高DE材料的力电耦合变形;温度越高,DE材料越容易发生力电耦合失稳.然后,从热力学和粘弹性力学出发,建立了考虑温度影响后的DE材料的粘弹性力电耦合模型,数值模拟理论结果和实验结果定性地吻合.     

非均匀介质有限元法

提出适合非均匀介质应力分析的有限元法．文中在有限单元内部采用等参变换方法模拟材料特性的变化，算例表明该法计算效率高，计算精度好．     

多尺度材料模拟的自适应有限元方法研究

研究了材料模拟中一类新型耦合多尺度的自适应有限元方法. 采用微观分子动力学耦合宏观有限元的桥尺度方法来模拟材料破坏的前期行为,其中宏观有限元计算推广到了一般非结构三角形网格. 材料破坏形成后,停止微观尺度的计算,它的进一步发展和演化通过一个宏观模型来描述,采用自适应有限元方法来求解这一宏观模型. 其中,后验误差估计的基础是变分多尺度理论,即自适应网格加密是基于粗尺度上残差分布和细尺度上单元Green's函数. 计算中采用了破坏准则来模拟材料的断裂. 数值实验表明了方法的有效性.      

一种有限元模型修正中的参数选择方法

有限元模型修正面临的首要问题是待修正参数的选择.目前主要是基于灵敏度分析的结果进行参数选择.本文从结构固有频率分析的能量法出发,论证了某阶固有频率主要受到同阶振型中发生弹性变形部位刚度的影响,据此提出一种待修正参数的选择方法,以振型中弹性变形为依据,选择弹性变形较大部位的参数作为待修正参数.用一个梁模型仿真验证了该方法的正确性,并将其应用于系杆拱桥的有限元模型修正中,修正后有限元计算结果与试验结果的最大误差缩小至3.3%.     

基于单元分解的结构断裂扩展有限元法

研究并提出了一种基于单元分解的扩展有限元方法,并将其用于求解结构断裂问题。首先,将不含加强节点的四边形单元剖分为四个三角形子域,通过加权平均获得单元中心处局部应变值;其次,基于三角形子域局部应变进一步构造单元刚度矩阵稳定项。最后,将该单元分解法应用到扩展有限元法的分析中。与传统扩展有限元方法相比,该方法可有效减少积分点数量、避免复杂等参变换且能保证裂纹尖端应力强度因子的求解精度。

     

非线性方程组的解法:局部弧长法

描述了一个新的非线性方程组的求解方法——局部弧长法．该方法是在弧长法的基础上发展起来的适合于材料非线性有限元分析的数值解法．其约束方程充分利用了结构中破坏区域内的非线性变形信息，有效地解决了材料非线性分析中的稳定性与收敛性问题．数值计算表明，该方法不仅适合于求解结构的极限承载能力，也适合于求解结构达到极限承载参力以后的荷载－变形的全过程     

四辊轧机辊系变形分析的有限元方法

采用有限元方法求解四辊轧机辊系变形问题,由于在工作辊及支承辊之间存在着未知接触压力和位移因而该问题无法用简单方法求解;根据辊系变形与受力的特殊性对方程进行变换可解出辊系各点位移,从而实现对辊系变形及辊缝形状进行较为准确的预报及控制。     

HIERARCHICAL STOCHASTIC FINITE ELEMENT METHOD FOR STRUCTURAL ANALYSIS

In this paper, the hierarchical approach is adopted for series representation of the stochastic nodal displacement vector using the hierarchical basis vectors, while the Karhunen-Lòeve series expansion technique is employed to discretize the random field into a set of random variables. A set of hierarchical basis vectors are defined to approximate the stochastic response quantities. The stochastic variational principle instead of the projection scheme is adopted to develop a hierarchical stochastic finite element method (HSFEM) for stochastic structures under stochastic loads. Simplified expressions of coefficients of governing equations and the first two statistical moments of the response quantities in the schemes of the HSFEM are developed, so that the time consumed for computation can be greatly reduced. Investigation in this paper suggests that the HSFEM yields a series of stiffness equations with similar dimensionality as the perturbation stochastic finite element method (PSFEM). Two examples are presented for numerical study on the performance of the HSFEM in elastic structural problems with stochastic Young’s Modulus and external loads. Results show that the proposed method can achieve higher accuracy than the PSFEM for cases with large coefficients of variation, and yield results agreeing well with those obtained by the Monte Carlo simulation (MCS).     

斜交板梁桥的有限单元算法

借助斜坐标与直角坐标的关系,构造了斜交板梁单元的位移函数,由此提出了斜交板梁桥的实用有限单元算法。     

随机有限元方法与结构可靠性

简要介绍和综合论述了随机结构的有限元分析及可靠性分析方法的研究及发展情况．包括随机结构的离散化、随机有限元控制方程的求解、随机有限元可靠性方法及随机结构的可靠性分析等．讨论了随机结构分析中存在的一些问题．概要论述了可能的发展方向．     

一种计算复合材料等效弹性性能的有限元方法

在最小二乘意义下提出了一种计算复合材料等效弹性性能的有限元方法.这种方法由于考虑了等效弹性张量各分量之间的耦合关系,所求得的等效弹性常数比传统方法更可靠,可适用于求解含任意形状的夹杂和夹杂物问题.通过算例计算了在不同弹性模量对比度下两相复合材料的等效弹性性能,并与相关的理论及数值结果进行了比较,结果表明,利用该方法计算含夹杂复合材料等效弹性常数是可行的.     

具有线性介电常数的Ogden型介电弹性体的本构关系和机电稳定性

应用多材料常数的Ogden弹性应变能函数分析了介电弹性体的力学行为,研究了介电弹性体的机电稳定性.数值结果表明,通过对材料系数(如材料常数比和电致伸缩系数等)的恰当调节可以使得介电弹性体材料或介电弹性体结构更趋稳定.这些有益于深入理解介电弹性体的机电稳定性行为,进而设计恰当的介电弹性体器件.     

组合结构罚有限元分析与罚因子的影响

该文讨论了不同刚度组合结构有限元罚单元罚因子的选取，提出了罚因子选取的一般原则，在实例中，提出了罚单元的估计式及罚因子的取值范围，这对一般情况的数值计算也具有一定的参考价值。     

基于扩展有限元的应力强度因子的位移外推法

针对平面裂纹问题,阐述了扩展有限元法的单元位移模式、推导了扩展有限元法的控制方程、介绍了特殊单元的数值积分技术.基于最小二乘法,建立了应力强度因子位移外推法的计算公式.利用MATLAB编写计算程序,对平面裂纹问题用扩展有限元法进行了计算.基于扩展有限元法的计算结果,分别利用位移外推法和相互作用积分法,对平面裂纹的应力强度因子进行了计算.计算结果表明,位移外推法比相互作用积分法能更方便和准确地计算平面裂纹的应力强度因子.     

利用有限元构造Michell桁架的一种方法

提出了一种新的形成Michell桁架的有限元分析方法.该方法以纤维增强正交各向异性复合板为材料模型,根据有限元分析结果调整各单元的纤维密度和方向.采用所提出的一种迭代格式,经过少量迭代,形成满足Michell准则的应变、内力场.该方法适于不同几何形状、支撑条件及荷载情况.算例结果表明该方法是有效的.     

非均质材料动力分析的广义多尺度有限元法

自然界和工程中的大部分材料都具有多尺度特征,当考察尺度小到一定程度后,都将表现出非均质性.针对非均质材料的动力问题,提出了一种广义多尺度有限元方法,其基本思想是利用静态凝聚法以及罚函数法构造能够反映单元内部材料非均质特性的多尺度位移基函数.与传统扩展多尺度有限元法中的基函数构造方式不同,广义多尺度有限元法的基函数无需通过在子网格域上多次求解椭圆问题得到,而可直接通过矩阵运算获得.其主要步骤如下:利用数值基函数将一个非均质单胞等效为一个宏观单元,进而形成整个结构的等效刚度矩阵,并得到宏观网格的节点位移,最后再次利用数值基函数得到微观尺度上的位移结果.该广义多尺度有限元法是扩展多尺度有限元法的一种新的拓展,可模拟具有更加复杂几何的非均质单胞的力学行为.通过数值算例,模拟了非均质材料的静力问题、广义特征值问题以及瞬态响应问题,计算结果表明:在边界条件一样的情况下,广义多尺度有限元法的计算结果与传统有限元的计算结果保持高度一致.与传统有限元相比,该方法在保证计算精度的同时极大地提高了计算效率.研究结果表明,广义多尺度有限元法能够很好地模拟非均质单胞的力学行为,具有良好的工程应用潜力.      

近场动力学与有限元方法耦合求解热传导问题

求解含裂纹等不连续问题一直是计算力学的重点研究课题之一,以偏微分方程为基础的连续介质力学方法处理不连续问题时面临很大的困难. 近场动力学方法是一种基于积分方程的非局部理论,在处理不连续问题时有很大的优越性. 本文提出了求解含裂纹热传导问题的一种新的近场动力学与有限元法的耦合方法. 结合近场动力学方法处理不连续问题的优势以及有限元方法计算效率高的优势,将求解区域划分为两个区域,近场动力学区域和有限元区域. 包含裂纹的区域采用近场动力学方法建模,其他区域采用有限元方法建模. 本文提出的耦合方案实施简单方便,近场动力学区域与有限元区域之间不需要设置重叠区域. 耦合方法通过近场动力学粒子与其域内所有粒子(包括近场动力学粒子和有限元节点)以非局部方式连接,有限元节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用. 将有限元热传导矩阵和近场动力学粒子相互作用矩阵写入同一整体热传导矩阵中,并采用Guyan缩聚法进一步减小计算量. 分别采用连续介质力学方法和近场动力学方法对一维以及二维温度场算例进行模拟,结果表明,本文的耦合方法具有较高的计算精度和计算效率. 该耦合方案可以进一步拓展到热力耦合条件下含裂纹材料和结构的裂纹扩展问题.      

多边形有限元研究进展

有限元法是数值求解偏微分方程边值问题的重要方法,采用不规则多边形单元网格, 可以方便有效地模拟材料的力学性能, 又使得区域网格剖分变得灵活方便. 特别是对于复杂的几何形状, 多边形单元网格具有更大的优势. 本文对国内外有关多边形有限元法的最新进展作了初步的总结和评述, 主要以基于位移法的多边形有限元为主.论述了多边形有限元的发展历史, 给出了多边形单元上的Wachspress插值、Laplace插值和重心坐标的一些最新研究成果. 与经典有限元法形函数为多项式形式不同, 多边形单元的形函数为有理函数或者无理函数形式. 多边形单元插值形函数满足线性完备性, 可以再现线性位移场, 像经典有限元法一样直接施加本质边界条件; 插值函数在多边形的边界上是线性的,确保不同单元间的自动协调. 不同单元的插值形函数表达公式形式统一, 方便混合单元网格计算的程序编写. 提出了多边形有限元法今后需要研究的问题.      

非线性广义杂交元

选择新的三类变量建立了放松单元间连续性条件的用于非线性有限元分析的泛函，并由此建立了基于不协调模式的非线性广义杂交元方法。     

RATE DEPENDENT STRESS-STRETCH RELATION OF DIELECTRIC ELASTOMERS SUBJECTED TO PURE SHEAR LIKE LOADING AND ELECTRIC FIELD

The performance of dielectric elastomer(DE) transducers is significantly affected by viscoelastic relaxation-induced electromechanical dissipations.This paper presents an experimental study to obtain the rate dependent stress-stretch relation of DE membranes(VHB TM 9473) subjected to pure shear like loading and electric loading simultaneously.Stretching rate dependent behavior is observed.The results also show that the tensile force decreases as the voltage increases.The observations are compared with predictions by a viscoelastic model of DE.This experiment may be used for further studies of dynamic electromechanical coupling properties of DEs.