薄壳结构的向量式有限元屈曲行为分析

基于向量式有限元三角形薄壳单元的基本理论,推导力控制法和位移控制法的基本原理及在向量式有限元中的处理方式,以实现薄壳结构的屈曲和后屈曲行为分析。在此基础上编制薄壳结构的屈曲计算分析程序,并通过算例验证。研究结果表明:所编制的向量式有限元薄壳单元程序可以用于薄壳结构的静、动力屈曲和后屈曲分析,验证了理论推导和所编制程序的有效性和正确性。无需进行特殊处理,采用位移控制法可有效越过屈曲极值点,跟踪获得薄壳结构大位移大转动、屈曲及后屈曲运动变形的全过程。

下击暴流作用下单层球面网壳倒塌破坏研究

针对大跨空间结构在下击暴流作用下破坏规律尚不明确的问题,本研究分析了下击暴流作用下K8型单层球面网壳结构的破坏模式与失效规律。基于确定性-随机性混合模型模拟了下击暴流风场,其中平均风的模拟采用Wood竖向风剖面模型和Holmes经验模型,脉动风的模拟则采用自回归模型。基于向量式有限元分析方法,考虑结构的几何非线性、材料非线性及构件断裂准则,对下击暴流作用下不同矢跨比的网壳结构进行弹塑性时程分析及连续倒塌过程模拟。通过研究矢跨比分别为1/3、1/5与1/7时,结构节点位移幅值的变化及下击暴流平均风荷载与总风荷载对结构破坏模式的影响,探究单层球面网壳结构在下击暴流作用下的失效规律。研究结果表明:下击暴流作用下单层球面网壳结构的失效主要是由结构杆件屈曲所致,且平均风的影响占主导地位,决定着结构的破坏模式,而脉动风则使得结构响应加剧,破坏时间提前。此外,随着结构矢跨比的增大,结构的体型系数与受风面积随之变化,进而影响结构的破坏模式,使其由局部杆件渐进式屈曲失效的模式向结构整体瞬时失效的模式转变。研究成果可为大跨空间结构的抗下击暴流设计提供参考。

冲压仿真中Mindlin壳单元的关键技术问题

对冲压仿真中Mindlin壳单元的中面法线转动矢量的计算 ,局部坐标系的建立及相应的转换矩阵 ,弹塑性本构矩阵这 3个关键技术进行了研究 .在此基础上 ,对NUMISHEET99的benchmark c进行了仿真计算 ,得到了较好的结果 .

求解各向异性介质涂覆的薄壳元-边界积分法

为了克服传统有限元-边界积分方法在分析薄涂敷目标时采用四面体单元离散导致未知量非常多及需要大量的计算机存储量的缺点,采用薄壳单元(SHELL)与边界积分方法相结合分析各向异性涂敷目标的电磁特性.薄壳单元可以大大减少未知量数目,并可将体积分转化为面积分,使计算量大为减少.用薄壳元-边界积分方法考察了不同厚度及媒质涂敷时对电磁散射特性的影响,证明了该方法是精确的,在减少未知量、存储量和计算时间上具有极大的优势.

用于薄结构中电磁场计算的三维高精度壳体矢量单元

提出了一种适用于薄结构中电磁场计算的通用三维高精度壳体矢量单元。该类壳体单元在薄结构厚度方向对场矢量采用一阶矢量插值,而在薄结构面方向采用二阶矢量插值,能够很容易地应用于平面和曲面薄结构问题的建模与求解。文中应用该壳体矢量单元与2阶六面体矢量单元对比做了两个算例,结果表明:使用该壳体矢量单元建模计算薄层结构不仅可以达到高的计算精度,而且能节约未知量数目一半以上,节约计算时间达80%以上。

层合开口壳脱层损伤分析的半解析法

首先应用柱坐标系下弹性材料修正后的混合H-R(Hellinger-Reissner)变分原理,推导开口圆柱壳的状态向量方程和相应的有限元列式。然后充分利用柱坐标系下状态向量方程半解析法的优越性,建立含脱层损伤层合开口壳的数学模型,为层合开口壳脱层问题的分析提供一种可选的方法。数值实例的分析结果表明方法是成功的。

电磁热弹性壳的齐次状态向量方程和等参元列式

为简化求解电磁热弹性壳齐次状态向量方程的方法,先通过电磁热弹性材料广义的H-R变分原理推导了非齐次的状态向量方程,进一步考虑热平衡方程与导热方程中变量的对偶关系,通过增加方程的维数,将非齐次方程转化为能独立求解的齐次方程.同时,直接将温度梯度关系写进电磁热弹性材料广义的本构关系中,通过构建一个新的变分原理,方便地导出了电磁热弹性壳齐次的四节点等参元列式.实例分析说明了齐次方程方法数值结果的稳定性和精确性。

同振式矢量水听器耐压球壳优化设计

针对深水矢量水听器的结构耐压问题,推导外压球壳最大应力公式,分析同振式球形矢量水听器的材料和尺寸对其声学性能和耐压性能的影响。基于此,给出一种最小平均密度薄壁耐压球壳的设计方法。从典型深海工程材料中优选7075T6铝合金材料,设计、制作一型设计耐压深度3000 m的同振式球形矢量水听器。对该水听器耐压结构进行了有限元仿真,并对其灵敏度、指向性和耐压能力进行了测试。结果表明:该矢量水听器具有良好的余弦指向性,500 Hz处灵敏度为-188 dB,能够耐受37.5 MPa外压;最小平均密度薄壁耐压球壳的设计方法及工程样机设计方案是合理和可行的。

基于向量有限元的深水管道屈曲行为分析

局部屈曲破坏是深水管道运行的最大安全问题之一。采用创新性的向量式有限元方法(VFIFE)分析深水管道结构屈曲行为,推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式,编制Fortran计算程序和MATLAB后处理程序,开展外压下深水管道压溃压力和屈曲传播压力计算、压溃和屈曲传播过程模拟。开展全尺寸深水管道压溃试验,进行深水管道压溃压力和压溃形貌分析,对比验证了VFIFE、试验、传统有限元方法(FEM)得到的结果。结果表明:VFIFE能够直接求解管道压溃压力和屈曲传播压力,模拟管道屈曲和屈曲传播行为,计算结果符合实际情况,与压溃试验、传统有限元方法符合较好,并具有不需特殊计算处理、全程行为跟踪等优势,可以为深水管道结构屈曲行为分析提供一套新的、通用的分析策略。

有限潜深圆柱壳低频矢量声场特性分析

为解决复杂结构水下矢量声场预报问题,本文基于单元辐射叠加法,结合镜像法建立了有限潜深圆柱壳的声场修正模型,结合具体算例分析了有限潜深圆柱壳低频辐射声场分布特性和传播特性。研究结果表明:单元辐射叠加法与传统边界元法计算得到的结构远场辐射噪声结果具有良好的一致性;受自由液面影响,圆柱壳的辐射声场有深度方向上的波动特性;对声场矢量信息的研究显示,在远离圆柱壳的声场中,声能量更多地沿水平方向传播;在远距离固定场点辐射声压及振速随浸没深度变化的曲线上,峰值间距与介质声波波长之比是定值,不随频率变化。研究结论可为结构辐射声预报、噪声控制及噪声测量等工作提供理论依据和有用的先验信息。

考虑Cowper-Symonds黏塑性材料本构的向量式有限元三角形薄壳单元研究

薄壳结构的力学行为分析往往涉及显著的材料非线性效应,对爆炸、冲击等高速动力问题还需进一步考虑高应变率效应的影响。基于此,将可同时考虑应变硬化和应变率效应的Cowper-Symonds黏塑性材料本构模型(简称C-S模型)引入向量式有限元三角形薄壳单元,以实现金属薄壳结构的动力非线性分析。推导了C-S模型的弹塑性增量分析步骤,并将其作为单独的计算分析模块引入薄壳结构的向量式有限元分析程序,适用于线弹性、理想弹塑性、双线性弹塑性和率相关C-S模型等4种材料模型条件下的薄壳结构分析。算例分析表明,所编制的向量式有限元程序可以有效实现非线性材料情况下薄壳结构的静、动力分析以及爆炸冲击作用下的非线性动力响应分析,验证了文中C-S模型理论推导和程序的正确、可靠。

基于向量式有限元的三角形薄壳单元研究

基于向量式有限元基本理论,通过三角形常应变CST薄膜单元和三角形离散基尔霍夫DKT薄板单元的线性叠加组合,推导三角形薄壳单元的基本理论计算式。通过逆向运动获得单元节点纯变形位移,进而由变形坐标系求解单元节点内力。通过不同变形坐标系与整体坐标系之间的反复转换,解决膜元部分和板元部分的质点位移和内力、单元应变和应力在时间步末的叠加和下一时间步初的分离这一关键问题,同时对单元节点内力计算提出先沿厚度采用Neuton-Cotes积分,再采用Hammer积分方案进行平面内积分。在此基础上编制薄壳单元的计算分析程序,算例分析表明,所编制的向量式有限元薄壳单元程序可以较好地完成薄壳结构的静力、动力分析和考虑大变形大转动的屈曲分析,验证理论推导和所编制程序的有效性和正确性。

薄壳结构碰撞、断裂和穿透行为的向量式有限元分析

在向量式有限元三角形薄壳单元的基本理论中,引入薄壳结构碰撞、断裂和穿透等复杂不连续行为的模拟机制。采用"点-三角形"检测和罚接触力法模拟碰撞检测和碰撞响应,获得薄壳结构碰撞接触的全过程;采用塑性失效应变准则和质点分裂方式,获得薄壳结构断裂和破碎的全过程;进而结合碰撞检测、碰撞响应、失效应变准则以及质点分裂处理方式,获得刚体穿透薄壳结构的全过程。基于此,编制了向量式有限元考虑薄壳结构的碰撞、断裂和穿透行为的分析程序,并通过算例分析验证了理论推导和所编制程序的有效性和可靠性,体现了向量式有限元方法在薄壳结构复杂不连续行为分析领域的优势。

自由曲面薄壳结构数值逆吊找形方法研究

数值逆吊找形法是一种生成零弯矩型自由曲面薄壳结构的高效方法。为了解决基于非线性有限元数值逆吊找形法在求解弱刚度结构时收敛性不佳的问题,通过引入向量式有限元法,提出了一种改进的数值逆吊找形方法。该方法采用向量式有限元法求解逆吊结构的平衡构形,并通过局部线性化方法调整柔性索单元的弹性模量,实现对逆吊结构形状的控制。在此基础上,进一步提出了可实现多点精确控制的分步刚化法,解决了复杂形状逆吊结构的找形问题。应用所提方法对Isler设计的某逆吊石膏模型进行数值找形,并将数值找形结果与实际模型扫描结果进行对比,验证了所提方法的正确性和有效性。

基于向量式混合质点单元薄壳非线性分析方法的膜材褶皱形变模拟研究（英文）

研究目的:建立一种适用于理想膜结构可进行高精度褶皱形变模拟的稳定可靠的数值分析技术及方法。创新要点:根据薄壳理论,在向量式混合质点单元方法(VFPEM)薄膜计算理论的基础上,引入弯曲内力分析模型并与其进行组合,发展了一种能够描述膜材面外变形的新型非线性薄壳计算理论,同时给出了将其应用于褶皱形变模拟的关键求解技术。研究方法:1.针对薄壳计算模型中的弯曲内力,利用移动基础架构和逆向刚体运动的概念扣除刚体转动,在只含有节点独立转动自由度的单元变形坐标系下根据虚功原理和平衡条件进行计算;2.借助于薄壳非线性屈曲模拟方法,引入合理的初始扰动作为诱发理想平面膜材中形成褶皱的有效机制;3.采用拟动力显式数值积分技术求解质点运动方程,通过追踪质点平衡位置来获得稳态的褶皱构形。重要结论:采用本文模型和方法可以模拟薄膜结构在面内荷载作用下褶皱的分布模式、具体构形信息及应力状态,计算过程不存在收敛性困难,结果准确。