Research on composite double-curved element with big grid and high precision

基于四节点Timoshenko层合梁理论和八节点薄壳单元相关理论,通过自编四节点板单元和八节点壳单元,实现了加筋前后双曲度复合材料薄壳单元的大网格高精度计算。结果表明：八节点单元精度稍高,但四节点单元分析的时间更短,因而效率更高,更具有工程实用性;筋条网格尺寸大小对计算精度影响小。研究成果可用于大规模复合材料双曲度结构设计和分析。     

纵横加筋对复合材料单元在大网格下高精度计算的影响

利用八节点薄壳单元的相关理论,通过自编单元实现了加筋前后双曲度复合材料薄壳单元的大网格高精度计算,通过两种结果的对比发现纵横加筋对自编单元实现大网格下的高精度计算影响不大.从精度和效率上来讲,由于加筋后对精度的影响小这一特点,因此可将其应用于加筋与不加筋情况下的各种有限元分析,这样为解决大型工程问题提供了有效的有限元分...     

网格密度对加筋曲板稳定性有限元计算的影响

网格密度会直接影响加筋曲板稳定性有限元计算结果的准确性。该文以四边加桁条的铝合金曲板为例,改变网格密度和单元类型,应用有限元软件计算其稳定性。通过数值模拟可知,1个屈曲半波内需要6个四节点线性单元或2个八节点二次单元才能使计算结果达到相同的精度。当创建金属板加筋结构的有限元模型时,网格类型尽量选择二次单元。将有限元计算结果与理论解析值进行对比,从而验证了网格收敛性分析的必要性。     

一种有限元结构动态计算的过渡元──9节点板壳－实体元

本文利用三维八节点实体元和八节点由壳超参数单元构造出一种９节点板壳－实体过渡元。该元具有三维实体和曲壳的双重属性。可用于一些板壳－实体结构的动态计算。由于该元要求与之相联的实体，板壳元网络划分简单，单元结点数较少，动态计算精度能满足工程精度要求，所以该元具有一定的实用价值。     

一种有限元结构动态计算的过渡元—9节点板壳—实体元

本文利用三维八节点实体元和八节点曲壳超参数单元构造出一种９节点板壳－实体过渡元，该元具有三维实体和曲壳的双重属性，可用于一些板壳－实体结构的动态计算，由于该元要求与的实体，板壳元各划分简单，单元结点数较少，动态计算精度能满足工程精度要求，所以该元具有一定的实用价值。     

基于Layerwise理论的共固化粘弹阻尼复合材料动特性分析

共固化粘弹性复合材料兼具结构承载和阻尼减振功能。针对传统的混合单元法在应用于粘弹性夹层复合材料结构阻尼性能分析时存在着前处理困难、计算规模大、精度低以及难以考虑正交各向异性铺层自身损耗能力的缺点,推导了一种基于Layerwise离散层理论的四节点四边形复合材料层合板单元,并利用直接复特征值解法建立了共固化粘弹性复合材料结构的阻尼性能分析方法。将该方法应用于不同的阻尼结构,分析结果与文献中已公开结果和混合单元法的计算结果进行了对比验证。结果表明,基于离散层理论的层合板单元具有计算精度高、前处理建模简单和计算规模小的优点,可有效应用于复杂共固化粘弹性复合材料结构的阻尼性能分析和设计。     

钢筋混凝土梁非线性有限元分析方法

针对钢筋混凝土结构有限元分析中,材料进入非线性阶段后,难以通过梁理论准确描述混凝土截面和钢筋应力状态的问题,提出了基于柔度法和分布式塑性理论的钢筋混凝土梁单元材料非线性方法——网格截面法。这种方法采用平面等参单元将梁单元网格化,由单元轴向积分点位置截面网格积分点的混凝土应力描述单元截面应力分布,同时考虑钢筋对刚度的贡献,并通过对截面网格材料的积分计算积分点位置的截面刚度矩阵,再利用力插值函数和能量原理得到梁单元的柔度矩阵,进而对柔度矩阵求逆计算单元刚度矩阵。通过算例验证该方法在钢筋混凝土承载力分析时的准确性。     

转换层计算中带转角自由度的三维元

为适应建筑结构中厚板转换层的分析需要，本文在已有的二十节点三维元基础上推导得出一种八节点带转角的三维元，该单元每节点六个自由度，可方便地与梁柱等Ｃ１类单元直接连接，自动保证了节点转角协调性。该单元对拉压变形采用线性插值，在反映率剪变形上，则与二十节点三维元有同等精度。     

带有沙漏控制的相对自由度壳元

针对一点积分的八节点相对自由度壳单元存在的沙漏现象，提出采用拟应变法解决该问题的方法，并对锁死问题进行研究。给出了带有沙漏控制的八节点相对自由度壳元内的坐标、位移插值公式，推导了拟应变的表达式，通过Hu-Washizu变分原理，建立了有限元求解方程。利用Wilson非协调位移模式，单元的计算精度得到了明显改善。算例表明：基于八节点相对自由度壳单元，本文给出的沙漏控制算法能够有效的解决线性静力问题，并且具有较高的计算精度。     

平面细长梁基于无网格径向基点插值的绝对节点坐标法

为了消除或减弱传统绝对节点坐标法(Absolute Nodal Coordinate Formulation,ANCF)中缩减梁单元的"失真现象",构造了一种适用于描述柔性梁绝对位形的无网格径向基点插值(Radial Point Interpolation Method,RPIM)形函数,提出了柔性梁基于无网格RPIM的ANCF法。传统ANCF梁单元在描述纯弯曲悬臂梁的位形(一段圆弧)时,即便获得精确的单元节点坐标,通过梁单元插值得到的位形与悬臂梁的实际位形存在差异,即失真现象,悬臂梁越弯曲该差异越明显,失真越大。失真导致伪应变的产生,极大地影响数值求解的精度。而RPIM法采用一组场节点离散问题域,通过计算点支持域内的场节点构造形函数,计算点一般位于支持域的中心区域,不同计算点之间的支持域有较多重合的部分,加强了节点之间的联系,能更合理、准确地描述绝对位形,能有效减小失真。研究表明:基于RPIM的ANCF法较传统ANCF法精度更高、计算效率更快、对不等距分布节点的适应性更强,在大变形柔性多体系统动力学领域内具有推广性。     

Composite delamination modelling using a multi-layered solid element

This paper focuses on the latest development of a solid hexahedron element for composite delamination analysis. The 8-node solid is derived from a 20-node hexahedron. It is transformed into two physical independent 4-node shell elements according to the propagation of delamination process within the element.     

非协调元性能分析的两个定理

在构造非协调元的过程中,必须遵守一定的构造规律。本文从基本力学观点出发,提出并证明了两个定理。定理一、如果某种类型的有限单元共有n个独立参与整体刚度运算的自由度,则该单元最多只能精确模拟n种弹性力学基本解。该定理说明了单元的精度从根本上受自身自由度限制的,并指出了现有的四边形四结点单元发展空间不大,而四边形八结点Q8单元以及三维八结点H8单元仍然具有较大的发展余地。定理二则认为四边形四结点内参型非协调元如果能够通过小片试验,则不可能在任意畸变状态下精确表示纯弯场。该定理表明了畸变问题的尝试是有限制的。以上的结论虽然是针对非协调元的构造来提出的,但从论证过程看,应对其它类型的有限单元也适用。定理一和定理二对于今后新型有限元的发展可以起到一定的指导作用。     

Elastoplastic analysis using the 14-node brick element family

Typical brick-based finite elements in current use are the 8-and 20-node members of the serendipity group. For displacement analyses of solids the 8-node element can be quite stiff in certain deformation modes, while the 20-node element can be quite expensive to use, involving as it does 60 degrees of freedom and a fairly high order of quadrature to avoid spurious eigenmodes of the element stiffness. In this paper a family of intermediate 14-node elements is investigated. Derivation of their properties can be considerably assisted by computer algebra. Performance is evaluated for elastic and elastoplastic problems.     

Plane isoparametric hybrid-stress elements: Invariance and optimal sampling

Formulation and applications of the hybrid-stress finite element model to plane elasticity problems are examined. Conditions for invariance of the element stiffness are established for two-dimensional problems, the results of which are easily extended to three-dimensional cases. Next, the hybrid-stress functional for a 3-D continuum is manipulated into a more convenient form in which the location of optimal stress/strain sampling points can be identified. To illustrate these concepts, 4- and 8-node plane isoparametric hybrid-stress elements which are invariant and of correct rank are developed and compared with existing hybrid-stress elements. For a 4-node element, lack of invariance is shown to lead to spurious zero energy modes under appropriate element rotation. Alternative 8-node elements are considered, and the best invariant element is shown to be one in which the stress compatibility equations are invoked. Results are also presented which demonstrate the validity of the optimal sampling points, the effects of reduced orders of numerical integration, and the behaviour of the elements for nearly incompressible materials.     

粗网格划分下的箱梁三维实体有限元分析方法

针对现有箱梁分析方法普遍存在的计算精度与计算效率之间矛盾的问题,提出了粗网格划分下的箱梁三维实体有限元分析方法。在充分考虑箱梁受力变形特点的基础上,以修正的Hellinger-Reissner变分原理为基础,通过合理引入非协调位移插值项,构造出直角坐标系下的六面体八结点杂交应力单元8N21β和柱坐标系下的六面体八结点杂交应力单元8N21βc,分别用于粗网格划分下的直箱梁和曲线箱梁的三维实体有限元分析。数值算例表明:8N21β单元和8N21βc单元在粗网格划分下具有较高的计算精度,能有效提高箱梁三维实体有限元分析的计算效率。     

Element by element a posteriori error estimation and improvement of stress solutions for two-dimensional elastic problems

A quantitative method of a posteriori error estimation based on finite element solutions is developed. The proposed method can estimate the error of solutions obtained by the finite element method for two-dimensional elastic problems with 4-node elements. Since the error is estimated element by element, the proposed method does not require a large memory or long computing time. Not only rectangular elements but also arbitrarily shaped 4-node elements can be used in this method for estimating the error in the finite element computation with high accuracy. The finite element solutions are improved by adding the estimated errors onto the original solutions. The proposed method can be utilized for any type of linear problem if an isoparametric finite element method is used.     

复合材料空间薄壁梁的有限元分析模型

在剪切梁理论的基础上, 采用9 节点平面单元模拟梁任意截面形状; 采用27 节点体单元, 模拟截面出平面外的二次翘曲位移, 从而建立了空间复合材料任意截面薄壁梁考虑二次翘曲的有限元分析模型。根据本文中导出的复合材料有限元模型编制了相应的分析计算程序。算例表明: 本文中建立的复合材料薄壁梁模型正确, 可以用于考虑多种耦合影响因素作用下复杂结构空间薄壁复合材料梁的有限元分析计算。      

附加约束阻尼层的复合材料梁单元建模分析

复合材料空心圆截面梁是桁架和刚架结构中大量采用的常用构件，而实践证明约束阻尼层能有效改善复合材料空心圆截面梁的动力学特性，但传统的约束阻尼层结构有限元计算方法需要大量的单元，这给大型复杂结构的计算带来了巨大的困难。本文采用Timoshenko梁假定。建立了一类附加约束阻尼层复合材料空心圆截面梁弯曲的数学模型。应用Hamilton原理。采用三节点高次梁单元对构件进行离散化。建立了附加约束阻尼层复合材料空心圆截面梁的梁单元。同传统的锥壳单元相比，该方法极大地减少了计算时间。用实验验证了本文计算结果的正确性。同时也分析了约束层厚度对损耗因子的影响。     

An assumed-stress hybrid 4-node shell element with drilling degrees of freedom

An assumed-stress hybrid/mixed 4-node quadrilateral shell element is introduced that alleviates most of the deficiencies associated with such elements. The formulation of the element is based on the assumed-stress hybrid/mixed method using the Hellinger-Reissner variational principle. The membrane part of the element has 12 degrees of freedom including rotational or ‘drilling’ degrees of freedom at the nodes. The bending part of the element also has 12 degrees of freedom. The bending part of the element uses the Reissner-Mindlin plate theory which takes into account the transverse shear contributions. The element formulation is derived from an 8-node isoparametric element by expressing the midside displacement degrees of freedom in terms of displacement and rotational degrees of freedom at corner nodes. The element passes the patch test, is nearly insensitive to mesh distortion, does not ‘lock’, possesses the desirable invariance properties, has no hidden spurious modes, and for the majority of test cases used in this paper produces more accurate results than the other elements employed herein for comparison.