线粘弹性断裂分析的增量加料有限元法

提出了一种用于解决线粘弹性断裂问题的增量加料有限元法。为了反映裂纹尖端的应力奇异性,在裂尖附近的应力奇异区采用若干四边形加料单元和过渡单元,非奇异区采用常规四边形单元,三种单元分区混合使用形成求解域网格划分。加料单元通过引入裂尖渐近位移场,构造出可以较好反映裂尖奇异性的单元位移模式,过渡单元在加料单元基础上引入调整函数构造单元位移模式,用于连接加料单元和常规单元,以消除加料单元和常规单元间位移不协调。基于Boltzmann叠加原理,推导了粘弹性材料的增量型本构关系,进而获得了增量加料有限元列式,并基于节点位移外推法计算粘弹性介质中裂纹应变能释放率。数值算例验证了该文方法的正确性和有效性。     

分区混合元法分析平面裂纹问题

基于分区混合能量原理的分区混合元法是一种高精度有限元方法,可用于分析含裂纹、孔洞、切口等缺陷的问题。本文推导了分区混合元法中应力元的刚度矩阵;分析了应力元的多余零能模式,并证明了整体分析中对多余零能模式的消弭;文中还对分区混合元法中应力元的应力项数与应力单元尺寸对分析结果的影响进行了系统的讨论。     

解析试函数法分析平面切口问题

本文利用平面切口问题的基本解析解构造单元,分析平面切口问题。通过分析平面切口问题的Williams特征方程的有解区间,使用分区加速lleruM&&法依序无漏地计算了平面V型切口特征值。从Williams应力函数出发,推导了V型切口尖端的应力场基本解析解列式。并用此根据分区混合能量原理构造了含切口解析单元ATF-VN的刚度矩阵。文中还对含切口解析单元的单元尺寸和应力项数等因素对分析结果的影响进行了系统的讨论。     

线弹性断裂力学问题的扩展自然单元法

为了更加有效地求解线弹性断裂问题,提出了扩展自然单元法。该方法基于单位分解的思想,在自然单元法的位移模式中加入扩展项表征不连续位移场和裂纹尖端奇异场。通过水平集方法确定裂纹面和裂纹尖端区域,并基于虚位移原理推导了平衡方程的离散线性方程。由于自然单元法的形函数满足Kronecker delta函数性质,本质边界条件易于施加。混合模式裂纹的应力强度因子由相互作用能量积分方法计算。数值算例结果表明扩展自然单元法可以方便地求解线弹性断裂力学问题。     

两种材料平面切口应力强度因子计算

本文先推导两种材料平面切口尖端应力应变场,然后利用分区混合有限元在切口尖端构造奇异应力元,在应力元外围划分常规的位移元,计算不同切口张角和不同材料比值下切口应力强度因子。     

两种材料界面裂纹的应力强度因子

选用复变函数的幂级数作为应力函数,分析在两种材料界面上存在裂纹的情况。利用裂纹自由表面力的边界条件及材料界面上的连续条件求得特征值及待定系数之间的关系式,从而求得应力、位移及应力强度因子表达式。本文修改了Lin[1]和Mar[2]的应力函数表达式,使所得应力、位移表达式与Williams[6]及Sih—Rice[3,4]结果一致。基于上述解析解建立了裂纹尖端的奇异元。并以含有界面中心裂纹平板拉伸情况作为计算实例。      

单位分解增强自然单元法计算应力强度因子

自然单元法是一种新兴的无网格数值计算方法,但应用于裂纹问题计算时,其近似函数并不能准确反映裂纹尖端附近应力场的奇异性,需要在缝尖附近增大结点布置密度以获得一定的计算精度。在单位分解框架下将缝尖渐近位移场函数嵌入到自然单元法近似函数中,应用伽辽金过程获得平衡方程的离散线性方程,用相互作用能量积分方法计算了混合模式裂纹的应力强度因子。算例分析表明:单位分解增强自然单元法可以方便地处理裂纹问题,在不增加结点布置密度的情况下可有效提高应力强度因子的计算精度。     

直角域非等腰三角形凸起对SH波的散射与地震动

本文采用复变函数及移动坐标方法给出了SH波对直角域非等腰三角形凸起散射问题的解析解答。首先,采用“分区”的思想,将求解模型划分为两个区域,区域I为含有半圆形弧底的非等腰三角形凸起,区域II为含有半圆形凹陷的直角域。求解本文问题的关键在于构造满足非等腰三角形两斜边应力为零的驻波解答和构造满足直角域边界应力为零的散射波解答。其次,根据“公共边界”上应力、位移连续性条件建立无穷代数方程组,并截断有限项求解。最后,给出了地表位移幅值的具体算例。结果表明：入射角度,入射波数以及直角域垂直边界都对地表位移幅值有影响。     

区域分裂法用于抽油杆表面椭圆裂纹应力强度因子的三维有限元计算

本文用三维有限元方法求解抽油杆表面椭圆裂纹在拉伸载荷下的应力强度因子。采用区域分裂算法，由裂端２７节点奇异单元位移场可精确、连续地给出应力强度因子沿裂纹的变化．算例与数值计算吻合得很好，表明本文结果有较高的精度。     

改进的有限元混合法用于板壳分析

本文从广义变分原理出发,给出了考虑横剪切变形板弯曲混合变分原理的具体形式,在Herrmann 三角形混合单元的基础上,导出了一个挠度按二次多项式、内力矩按线性分布的12个参数的三角形混合板元(×12单元)以及组合平面应力单元的三角形壳元。通过典型结构的分析计算,结果表明×12单元收敛速度快,计算精度高,位移和内力收敛速度比较协调一致,计算剪力方便。     

含参数辛元与热弹性复合材料层合板分析

为了提高计算热弹性复合材料层合板应力的精度,基于相关文献的非协调辛元理论,将弹性材料的广义H-R变分原理扩展为热弹性材料的广义H-R变分原理,并提出了相应的修正原理。建立了含参数非协调辛元。该单元的主要优点之一是避免了传统混合元中系数矩阵主对角线上存在零元素的问题,因而保证了有限元线性方程组数值结果的稳定性。同时,该单元关于广义的位移变量和应力变量对称,因此其对应的有限元线性方程组对称保辛。实例结果表明:与精确解对比,该单元的广义位移和广义应力的数值结果不仅精度一致,而且精度高;与位移有限元法的结果比较,收敛速度快。      

复合材料板壳结构的杂交/混合有限元分析

本文建立了一个9节点Lagrange退化壳杂交/混合有限元模型,以用于复合材料板壳结构的有限元分析。该有限元模型基于修正的Hellinger-Reissner原理,位移和应力均采用分离法思想,使得这一单元不仅具有下列优点:1.位移和应力计算精度都比较高;2.消除了多余零能变形模式;3.具有厚薄通用性;4.具有几何不变性,并且较之一般杂交/混合单元计算工作量进一步降低。单元还考虑了横向剪切影响。计算实例表明,本单元关于复合材料浅壳和深壳的解都与参考解吻合很好,且收敛很快。      

采用无单元法计算含边沿裂纹功能梯度材料板的应力强度因子

本文采用无单元法分析了功能梯度材料的断裂力学问题。无单元法采用基于滑动最小二乘近似的位移插值形式,节点布置变得非常自由。这种插值形式不仅很好地反映了材料变形,而且使得无单元法在分析功能梯度材料时可以方便地采用各个积分点处的材料特性。数值计算结果表明无单元法在分析功能梯度材料力学行为方面具有较高的效率和精度。     

用杂交法改善应力解的新型复合材料层合板单元

本文给出一种基于一阶剪切变形理论(FSDT)新型的、无闭锁的位移型四边形复合材料层合板单元TMQ20的列式;并根据Hellinger-Reissner变分原理,针对位移型复合材料板单元提出了一种新型应力杂交化后处理方法来改善单元计算应力的能力,使位移型单元可以简单和正确地预测层合板的应力,特别是层间横向剪应力的解。数值算例表明,经过改善的TMQ20单元具有位移型和杂交型有限元的双重优点,它不仅自由度少,列式简单,而且对位移和应力都可以得到高精度的结果,适用于从薄到中等厚度的复合材料层合板的计算。本文所提出的杂交化后处理方法的概念适用于改善任何种类的位移型单元的应力解。     

压电功能梯度层合梁的力-电-热耦合梁单元及最优振动控制

给出了一个压电功能梯度层合梁振动分析的两节点力-电-热耦合梁单元,并将其用于功能梯度层合梁的振动最优控制。在这个多场耦合梁单元中,功能梯度材料的等效力学性能用Voigt或Mori-Tanaka模型表征;梁的位移场用Shi改进的三阶剪切变形板理论描述;压电层的电势场用Layer-wise理论分层表征,且呈高阶非线性电势场的压电层可离散成数个子层。用Hamilton原理推导了压电功能梯度梁的力-电-热耦合单元列式,用拟协调元法给出了多场耦合梁单元的高计算效率的显式单元刚度矩阵,以及采用线性二次型(LQR)最优控制算法进行压电功能梯度层合梁的最优振动控制。使用所得力-电-热耦合梁单元进行了压电功能梯度层合梁的静力和动力分析。数值算例表明,所得力-电-热耦合梁单元可靠、准确和高效,LQR最优控制算法得到最优控制电压可有效抑制功能梯度梁的振动且实现控制系统能量的优化。     

梯度复合材料应力强度因子计算的梯度扩展单元法

推导了一种适用于梯度复合材料断裂特性分析的梯度扩展单元, 采用细观力学方法描述材料变化的物理属性, 通过线性插值位移场给出了4节点梯度扩展元随空间位置变化的刚度矩阵, 并建立了结构的连续梯度有限元模型。通过将梯度单元的计算结果与均匀单元以及已有文献结果进行对比, 证明了梯度扩展有限元(XFEM)的优越性, 并进一步讨论了材料参数对裂纹尖端应力强度因子(SIF)的影响规律。研究结果表明: 随着网格密度的增加, 梯度单元的计算结果能够迅速收敛于准确解, 均匀单元的计算误差不会随着网格细化而消失, 且随着裂纹长度和属性梯度的增大而增大; 属性梯度和涂层基体厚度比的增大导致涂覆型梯度材料的SIF增大; 裂纹长度的增加和连接层基体厚度比的减小均导致连接型梯度材料的SIF增大。     

梯度复合材料应力强度因子计算的梯度扩展单元法

推导了一种适用于梯度复合材料断裂特性分析的梯度扩展单元,采用细观力学方法描述材料变化的物理属性,通过线性插值位移场给出了4节点梯度扩展元随空间位置变化的刚度矩阵,并建立了结构的连续梯度有限元模型.通过将梯度单元的计算结果与均匀单元以及已有文献结果进行对比,证明了梯度扩展有限元(XFEM)的优越性,并进一步讨论了材料参数对裂纹尖端应力强度因子(SIF)的影响规律.研究结果表明:随着网格密度的增加,梯度单元的计算结果能够迅速收敛于准确解,均匀单元的计算误差不会随着网格细化而消失,且随着裂纹长度和属性梯度的增大而增大;属性梯度和涂层基体厚度比的增大导致涂覆型梯度材料的SIF增大;裂纹长度的增加和连接层基体厚度比的减小均导致连接型梯度材料的SIF增大.     

裂纹板贴补应力分析

本文采用含裂纹无限大板特殊基本解和合力边界条件,用体积力法对含裂纹金属薄板的胶贴补强问题进行应力分析。使用一满足胶贴层位移连续条件的剪切单元,把问题转化为对裂纹板和贴片的分析。由于使用的特殊基本解精确满足裂纹面自由力边界条件,避免了对裂纹尖端附近的奇异场进行离散处理,因而可以比较精确地求出裂纹尖端附近的应力分布,同时由于单位集中力引起的裂纹尖端应力强度因子可以解析得到,因而可以较准确地反映出用应力强度因子的降低来表征的贴补效果。作为贴补计算的例子,文中计算了受拉力和剪力作用时,含中心裂纹的金属裂纹板在贴补前后裂纹尖端应力强度因子的降低,给出了贴片的厚度、弹性模量和尺寸及肢贴层厚度等对贴补效果的影响。     

真空加压气淬炉炉壳应力的三维有限元计算

本文以加压高速气冷真空炉旋箍式炉门锁紧结构的强度计算为例，介绍了用三维有 限单元法解决真空工程设计中真空压力容器的计算问题。文中以实例讲述了如何选取合 理的力学模型、单元及位移模式和边界条件。     

三维弹性体移动接触边界元法的一类新方案

基于对二维弹性体移动和滚动接触边界元法的前期研究,将其中的协调离散方案推广到三维问题,提出了针对给定移动方向的三维弹性体移动接触的一种边界元协调离散方案。其中在接触面上的位移和面力都能在边界元离散意义下精确满足,因此能保持边界元法在位移计算、特别是应力计算中高精度的优势。该方案将可能接触区分成大小相等的直角三角形单元,每个直角三角形单元有6个节点,其中3个角节点是固定节点,另外在每条边上有一可动节点。可动节点的位置确定于与其接触的另一面上对应单元的固定节点及其连线的位置。在每一瞬时,每个单元可由可动节点连线分成4个三角形子单元,在每个子单元上边界位移与面力线性分布。文中给出了一些算例来验证所提出算法的有效性和高精度。