建立杂交/混合元模型的一种简明列式方法及其在薄板弯曲问题中的应用

本文应用加权残量法基本原理,从物理一几何关系弱形式出发,直接离散单元应力场,给出了一种建立杂交/混合元模型的简明列式方法。该列式方法不依赖于任何广义变分原理,推导过程简洁、直观,物理意义明确。作者基于该列式,构造了一些性能优良的薄板弯曲单元。文后给出若干数值算例。     

用有限元线法梯形单元分析薄板弯曲问题

本文采用有限元线法构造了一个梯形薄板弯曲单元，适用于分析形状较为复杂，具有任意边界条件及荷载的Ｃ＾１连续问题。     

一个基于膜板比拟理论的四边形双线性薄板单元

平面弹性与板弯曲的相似性理论为构造薄板单元提供了一条有效的新途径.根据这一理论,现有的平面弹性单元原则上可以转化为板弯曲单元.从平面弹性四节点双线性等参元Q4出发,根据相似性理论构造出一个新的四边形八自由度双线性薄板单元.该单元构造简单,节点自由度少,可以视为最简单的四边形薄板单元.数值结果表明,该单元能通过分片试验,满足坐标不变性,具有良好的收敛性和精度.是一个良好的低阶薄板单元.     

薄板弯曲分析的多边形流形单元

一般的数值流形方法均采用三角形、四边形单元进行计算。对于工程中的有些实际问题, 多边形单元能更好的适应复杂计算域形状。为此, 研究了采用多边形流形单元进行数值计算的方法。采用任意几何区域的Delaunay三角网格构造出新的凸多边形网格, 并以此单元作为计算的流形单元。采用改进的Wachspress插值函数作为多边形流形单元的权函数。为说明该方法的有效性, 将该流形方法应用于薄板弯曲计算, 推导出用于薄板弯曲分析的流形格式和单元矩阵。计算结果表明:较一般有限元法, 计算精度和收敛速度有很大提高。     

一种新型的C_1阶协调任意四边形薄板弯曲单元

提出一种由单元协调边界位移直接插值单元位移的特殊插值法,并用该方法构造出一种新型的12节点参数C1阶协调任意四边形薄板弯曲单元。该特殊插值法分离了薄板单元完备性条件和C1阶连续条件的相互影响,从而才能直接构造出C1阶连续协调且完备薄板单元。理论证明该薄板单元具有完备性和C1阶连续性,数值分析表明其性能明显优于非协调单元。     

采用面积坐标的四边形厚薄板通用单元

本文采用四边形面积坐标,利用假设剪切应变场方法和广义协调理论构造出一个具有12个自由度的四边形厚薄板通用弯曲单元TACQ。基本思路如下：首先从Mindlin厚板理论出发,独立假设剪应变场和挠度场,而转角场则由挠度场和剪应变场导出;其次,单元剪应变场是先按Timoshenko厚梁理论确定单元各边剪应变,然后在单元内进行合理插值导出;第三,单元挠度场是根据单元角点处挠度的点协调条件以及单元各边挠度和法向转角的平均协调条件导出。这个方法有两个特点,（1）由于满足点协调和边协调的广义协调条件,故能保证收敛;（2）由于在薄板情况剪应变退化为零,故不出现剪切闭锁现象。数值算例表明：该单元具有精度高,收敛性和可靠性好,对网格畸变不敏感,无剪切闭锁现象等优点;适用于从极薄板到厚板较大的范围。     

采用面积坐标的四边形板弯曲单元

本文采用四边形面积坐标，并应用广义协调法构造出一个具有１２个自由度的四边形板弯曲单元。单元的挠度场以面积坐标多项式表示，对应于直角坐标ｘ，ｙ的完全三次式和部分四次式，因而单元是完备的广义协调的板单元。应用的１２个协调条件为挠度的四个点协调条件和四个边协调条件，以及法向转角的四个边协调条件。由于面积坐标和直角坐标之间为线性变换关系，因此单元刚度矩阵的推导相当简单。数值算例表明：本文单元具有高精度、收敛性、可靠性和对网格畸变不敏感的优点     

一种杂交/混合四边形分层壳元

本文从修正的Hellinger-Reissner变分原理出发,基于杂交/混合有限元及分层有限元法,建立了一种杂交/混合四边形分层壳元,用于分析层合壳结构的非线性稳定问题;对典型层合柱壳结构进行了几何非线性分析,验证了该方法的正确、有效性。     

弹性地基板弯曲的杂交边界点法

基于双参数Pasternak弹性地基模型,将杂交边界点法与双互易法结合,用于弹性地基板弯曲问题的分析。将地基反力与横向载荷一起作为非齐次项,利用径向基函数插值得到特解,而齐次方程的通解则使用杂交边界点法求解。该方法无论插值还是积分都不需要网格,域内点仅用来插值非齐次项,因而仍是一种边界类型的无网格方法。数值算例表明：该文方法在分析弹性地基板弯曲问题时,具有计算精度高和收敛速度快等优点。     

一个有效的厚薄板通用COONS曲面矩形元

本文采用板壳有限元Coons曲面法和挠度位移与转角位移导数相关构造法构造出一个有效的厚薄板通用矩形单元,并直接给出位移场形函数;其推导简单易行,灵活多样,几何意义直观,力学概念清晰,并具有一般性。在薄板极限情况下,本文厚薄板通用单元自动退化为一个性能良好的薄板Coons曲面矩形元,不出现剪切闭锁现象。数值计算表明:本文构造的厚薄板通用单元具有较高的计算精度和良好的收敛性。     

应用Pian-Sumihara杂交列式的板弯曲模拟元

把典型的平面弹性杂交应力元-Pian-Sumihara 元-转化为板弯曲单元,从而初步探讨了将平面弹性杂交元转化为板弯曲单元的方法。应用板弯曲多类变量变分原理和弯矩函数空间中的Pian-Sumihara 列式,再通过基于平面弹性-板弯曲相似性的单元转化过程,得到一个四节点八自由度板弯曲位移元。该单元为显式单元,计算量少。数值结果表明该单元能通过常曲率分片试验,收敛稳定并具有较好的精度。     

关于离散Kirchhoff薄板单元的研究

本文对离散Kirchhoff薄板单元进行了深入的分析。文中将用于建立离散Kirchhoff单元的泛函分为三部分,分别用应变第一不变量、绕Z轴的转动偶和有关的单元边界上的积分来表达,并阐明了各部分的作用。其中单元的收敛性质完全由第一、三部分所决定,而第二部分则控制了单元的计算精度。在此基础上,文中建议了一种提高离散Kirchhoff单元精度的新方法,并由此推导了一个任意四边形离散Kirchhoff单元。计算表明,本文的改进单元与原来的离散Kirchhoff单元^[2]及其改进型^[3]相比,计算精度有了显著提高。     

具有初曲率板弯曲的边界元分析

由于具有初曲率板弯曲问题的控制微分方程较复杂，直接求解原问题基本解推导边界积分方程较为困难。本文通过引入等效荷载，将此问题的控制微分方程化成与普通板弯曲基本方程形式相同的微分方程，利用一般求解板弯曲问题的边界元法迭代求解，建立了分析具有初曲率板弯曲问题的边界元法。算例表明本方法理论准确、精度良好。     

薄板弯曲和振动分析的区间B样条小波有限法

基于二维张量积区间B样条小波及小波有限元理论,研究了用于薄板静动力学分析的区间B样条小波有限元法。在小波有限元用于薄板分析的列式过程中,采用区间B样条小波尺度函数对横向位移场逼近,从矩形和斜形薄板静动力学势能泛函出发,由变分原理得到小波有限元求解方程。该方法具有B样条函数数值逼近精度高和多种用于结构分析的小波基函数的特点。数值算例表明:区间B样条小波有限元法能以很少的计算自由度获得与其它方法同样的计算精度。     

薄板弯曲振动的杂交动态有限元法

从Ｈｅｌｌｉｎｇｅｒ－Ｒｅｉｓｓｎｅｒ变分原理出发,将位移、应变、应力场分离为零阶场与频率相关的高阶场,对位移场和应力场独立插值,导出了薄板弯曲振动的杂交动态有限元列式。数值算例表明,本文方法简单、有效。