埃尔米特梁单元的分块对角与高阶质量矩阵

埃尔米特梁单元常用的集中质量矩阵,是由挠度自由度对应的一致质量矩阵元素通过行求和或节点积分构造.然而,数值结果表明该集中质量矩阵在求解包含自由端的梁振动问题时,会出现频率精度掉阶现象.本文首先从保障质量矩阵最优收敛性的数值积分精度出发,分别针对三次和五次梁单元,发展了质量矩阵的梯度增强节点积分方案.利用梯度增强节点积分方案,可以得到具有分块对角形式的单元质量矩阵,而其组装的整体质量矩阵除边界节点外仍然呈现对角形式.对于两种单元,其分块对角质量矩阵分别具有4阶最优精度和6阶次优精度.再者,将标准一致质量矩阵和具有同阶精度的梯度增强节点积分质量矩阵进行优化组合,建立了具有超收敛特性的高阶质量矩阵.最后,通过数值算例系统验证了三次和五次单元的分块对角与高阶质量矩阵的频率计算精度.

考虑剪切变形的欧拉梁单元一致质量矩阵

为明确考虑剪切变形的欧拉梁单元一致质量矩阵推导方法,以形函数为基础,基于虚功原理,区分伸缩、扭转以及是否考虑剪切变形的弯曲受力状态,给出了欧拉梁单元一致质量矩阵表达式。研究表明:不考虑剪切变形时,欧拉梁受弯状态的一致质量分析中一般不计单元上微元体水平方向的惯性力,此时仅需弯曲变形引发的竖向位移形函数即可;考虑剪切变形时,则需计入水平方向的惯性力,且同时需要完整的竖向位移形函数和纯弯曲转角位移形函数;对于变截面欧拉梁单元,其一致质量矩阵表达式过于复杂,可在等截面梁的基础上,根据元素位置对矩阵元素匹配左右端或平均截面面积及截面极惯性矩近似给出实用的质量矩阵表达式;考虑剪切变形时,欧拉梁的刚度矩阵亦可经竖向位移和纯弯曲转角位移形函数计算得到,这一过程与使用纯弯曲竖向位移和纯剪切竖向位移形函数的过程在本质上是一致的。

无网格动力法中质量矩阵构造方法研究

无网格动力法中质量矩阵的构造对计算结果的精度有着重要影响。本文就无网格动力法中质量矩阵的构造方法,给出了一致质量矩阵和集中质量矩阵的数学表达式,运用MATLAB软件编制了基于不同质量矩阵的无网格动力法计算程序,对无约束矩形板不同质量矩阵构造下的频率和振型进行了对比计算。结果表明:采用集中质量矩阵时,结果受节点划分的影响较大,只有节点划分足够密集时,结果才趋于精确值;而采用一致质量矩阵时,结果受节点划分的影响较小,说明了一致质量矩阵在无网格动力法质量矩阵构造中的优越性。

利用组合质量矩阵压制数值频散

波动方程数值模拟一直受到频散效应的影响。利用有限元模拟声波方程时,协调质量矩阵和集中质量矩阵对频散误差起着相反的作用:协调质量矩阵使频散误差领先于真实信号,而集中质量矩阵使频散误差落后于真实信号。因此利用两种质量矩阵的线性组合能有效压制数值频散。速度对组合系数的影响很小,在2500～4000m/s范围内,最优组合系数均约为0.5。这种压制数值频散的方法,具有不增加额外计算量且不导致算法复杂的特点,能够适应变速模型。

两种质量矩阵在梁模态分析中差异的比较

一致质量矩阵与集中质量矩阵是结构动力分析中常用的质量矩阵形式。为分析它们对结构频率的影响,本文将梁单元的一致质量矩阵与集中质量矩阵的差别分解为4个部分,通过实例讨论了各个部分所引起的频率差异在这两种质量矩阵形式的频率总差异中所占的比重,指出弯曲转动惯性的影响及单元自由度之间的相互耦合是这两种质量矩阵在梁模态分析中表现出来的总差异中的主要原因。

集中质量矩阵替代一致质量矩阵的合理性与局限性

文中分析了集中质量矩阵取代采用一致质量矩阵后对体系自振频率造成的误差,并指出集中质量矩阵应该有条件的使用。并根据相对容许误差,给出了实际计算中采用集中质量矩阵时单元尺寸的选取方法。

剪切效应梁单元刚度和质量矩阵的推导及应用

从工程梁理论中的梁位移微分方程出发直接推导出考虑剪切效应的空间梁单元的刚度矩阵,并从动力荷载的虚功原理出发推导出考虑剪切效应的其质量矩阵。编制了简单的有限元程序去验证,通过计算实例分别比较考虑剪切效应和不考虑剪切效应对结构固有频率的影响,结果表明在剪切系数较大时,不考虑剪切效应会引起较大的误差。

建立基于力的变截面梁单元质量矩阵的新方法

基于位移的有限梁单元中三次Hermite插值函数不能有效地描述变截面梁单元内部位移变化,只能通过加密网格增加单元数解决,会造成计算量增大。基于力的有限梁单元由于使用的力插值函数不受截面形状变化的影响,在处理变截面梁时有很大优势,可以得到精确的位移插值函数,利用较少的单元可以达到很高的精度,解决了基于位移的有限梁单元在处理变截面梁时的不足。本文得到了考虑剪切变形的位移插值函数和考虑转动惯量的一致质量矩阵。利用算例验证了本文理论的正确性和高效性。

质量矩阵模式对桥梁自振频率的影响

利用自编程序和ANSYS结构分析软件对几座大跨度桥梁的自振特性分别采用一致质量矩阵和堆聚质量矩阵进行了计算比较.结果表明,对于大型复杂桥跨结构的动力分析宜采用一致质量矩阵模型.

基于第一类Whitney单元的FETD中质量矩阵集中公式的一种推导

给出基于第一类Whitney基函数的时域有限元方法中质量矩阵对角化公式的一种推导方法。在单元内部电场为常量场的假设下,使用局部仿射坐标架,确定出每个单元上自由度所服从的约束关系,由此导出对角化质量矩阵的公式。分别考虑了二维和三维两种情况。

质量矩阵对水轮机组固有振动模态计算结果的影响

针对如何采用有限元法选用适当的单元质量矩阵模式对大型水轮机过流部件进行高精度、高效率和低成本的模态分析问题,本文详细介绍了一致质量矩阵和集中质量矩阵,并以三峡混流式水轮机组为例,数值模拟水轮机转轮、导叶和叶片的前若干阶固有模态,对两种矩阵所得结果进行了比较分析。结果表明,两种质量矩阵模式对低阶固有模态（前30阶）影响不大,固有频率计算值相对误差不超过2%,对应阶数的固有振型相似,而对高阶固有模态（30-100阶）影响显著,固有频率计算值相对误差达到4.25%,且固有振型不同;质量矩阵模式对水轮机转轮、叶片和导叶固有模态的影响随着模态阶数增加而变大,集中质量矩阵计算效率较一致质量矩阵高。从计算精度、效率和成本综合考虑,建议低阶固有模态分析采用集中质量矩阵,高阶固有模态分析采用一致质量矩阵。该研究为水轮机过流部件的动力设计和数值计算提供科学依据,也为水轮机过流部件进一步的动力学分析奠定了基础。

分析水中结构自由振动的三维附加质量矩阵法

船舶总体振动分析需考虑对船体外部水的影响。通过建立水域三维有限元模型进行计算或者先计算出附加质量后,加入到结构质量中进行计算。随着有限元技术的发展,船舶大都采用三维有限元建模。传统方法,例如刘易斯附加水质量法,虽然考虑到纵向变形,但确没有忽略船体横剖面的变形,因而不够准确。采用三维边界元方法,考虑水中结构振动的三维效应,计算三维附加质量矩阵,并对水中结构振动进行分析。结果表明,水中结构振动是三维变形,应该采用三维附加质量矩阵进行振动分析。

轴对称冲击有限元一致质量矩阵迭代解

给出高速冲击动力有限元一致质量矩阵解的迭代过程，即把集总质量矩阵解作为初值进行有限次迭代得到满足工程需要的一致质量矩阵近似解．实际算例说明，一致质量近似解较集总质量解改善了对应力波传播过程的分析，而且在高速冲击计算中能给出与实验接近的计算结果．

不同质量矩阵对桥梁自振特性的影响分析

利用有限元方法进行结构自振特性分析时需要选用适当的单元质量矩阵模式.采用一致质量矩阵和堆聚质量矩阵对几座典型结构的大跨度桥梁的自振特性进行了分析.计算结果表明,一致质量矩阵与堆聚质量矩阵对具有空间质量分布的桥跨结构影响较大,对于大型结构复杂桥梁的动力分析宜采用一致质量矩阵模型计算.所得的结果对分析桥梁的自振特性具有重要的工程实用价值.

基于有限元方法一致质量矩阵的分析与计算

文章以空间桁架单元、空间刚架单元、三角形膜单元为研究对象,设置线性位移模式、建立形函数,给出适于有限元方法需要的一致质量矩阵应用公式,这种公式对于弹性结构有限元分析具有理论价值,同时,对于预应力锚固体系及煤炭资源开采具有应用价值。

曲梁位移场函数的单元刚度矩阵和一致质量矩阵

以多项式作位移场的曲梁有限元单元模型因薄膜力闭锁和剪力闭锁而存有误差。基于满足边界约束条件的曲梁位移场函数的单元刚度矩阵和一致质量矩阵,经自编程序与某商业大型计算软件验证,其精度良好,对实际工程有一定的指导和借鉴意义。

固有频率约束下的杆系单元质量矩阵

根据单元变形曲线的固有频率约束条件,建议一种生成单元质量矩阵的新方法。由此导出的新单元用于动力分析,可以明显地改善数值计算精度。

有限元方法一致质量矩阵的理论分析与应用

以空间桁架单元、梁单元、三角形膜单元为研究对象,设置线性位移模式、建立形函数、推导单元一致质量矩阵,给出适用于有限元方法的一致质量矩阵应用公式,为弹性结构的有限元分析提供参考,为研究预应力锚固体系及石油资源开采等提供指导.

Chebyshev谱元法模拟波动的两种集中质量矩阵

波动模拟是工程结构抗震分析的重要手段之一。Chebyshev谱元法是一种高精度的微分方程求解方法,模拟波动问题时具有高精度和高效率的特点,因此受到广泛关注。Chebyshev谱元法求解波动问题时的质量矩阵是一致质量矩阵,即空间耦合矩阵,当和时域分析方法联用时,为时空耦合格式,每步计算需要联立求解线性方程组,计算效率受到了制约。本文在Chebyshev谱元法一致质量矩阵的基础上导出了两种集中质量矩阵:数学集中质量矩阵和物理集中质量矩阵,给出了两者的数学表达,并采用这两种集中质量矩阵下的Chebyshev谱元法结合时域中心差分法求解一维波动问题,此种模拟方案为时空解耦方法。数值分析表明,采用Chebyshev集中质量矩阵配合时域中心差分法模拟波动的方案具有较高的计算精度,并且每步计算不需要联立求解线性方程组,可以大幅度提高计算效率。其中,数学集中质量矩阵的计算精度要高于物理集中质量矩阵。

模拟地震波传播的优化质量矩阵Legendre谱元法

波动方程的数值求解是地震波正反演的重要环节,而数值算法的计算精度直接关系到地震波的模拟结果和成像质量.当前,谱元法由于同时具备有限元法的网格灵活性与谱方法的高精度性已被成功应用于不同尺度模型中的地震波模拟.然而,常见的Legendre谱元法在求解地震波运动方程时采用Gauss-Lobatto-Legendre(GLL)数值积分计算质量矩阵所包含的积分项,由于GLL数值求积无法对积分项精确估计,从而造成谱元法精度损失.针对谱元法精度上的不足,本文提出一种优化算法用于提升其精度.首先构造关于GLL数值求积积分权与质量矩阵对角线元素精确值的最小二乘目标函数,然后利用共轭梯度法求解目标函数得到优化权系数,该权系数能减小质量矩阵的离散误差最终提高谱元法的计算精度.通过数值频散分析、数值算例证实了本文给出的优化算法用于提升谱元法数值模拟精度的可行性和有效性.