仿生平面三角形单元积分声场的波函数构造

波叠加法在求解声源外部辐射声场时,需要对所有离散单元进行数值积分计算导致计算效率较低,而等效源法由于过度简化单元始终存在较大的积分近似误差.针对以上缺陷,利用Helmholtz方程在球坐标系下的解构造了一种与单元积分等效且无需积分的波函数.受仿生复合材料三角形缝合结构启发,以适用范围最广的平面三角形单元为例,构造了波函数的一般形式和内推形式.最后,通过数值仿真对比了两种波函数与直接积分的计算声场的精度和效率.结果表明,两种波函数与直接积分的计算误差低于0.5%,且内推波函数的计算效率约为直接积分的6倍.

薄壁截面剪切系数计算的平面薄壁单元法

剪切系数对于准确计算大高跨比薄壁构件的力学响应至关重要。为实现薄壁截面剪切系数的高效计算,提出一种新的薄壁单元法。首先,介绍计算任意截面剪切系数的平面翘曲单元法,该方法以截面翘曲位移为自由度,通过能量原理进行求解。针对薄壁截面剪切系数,对薄壁板段引入忽略板厚方向翘曲位移不均匀性的假设,重新构造适宜快速建模及解算的一维薄壁单元。以2自由度薄壁单元为例,进行了程序实现。最后,采用ANSYS截面分析模块(基于平面翘曲单元法)与所提出的薄壁单元法分析了常用开口与开闭口薄壁截面的剪切系数,验证了所提出方法的准确性。

对称几何非线性三角形平面单元研究

为克服现有共旋法的几何非线性平面单元切线刚度矩阵的不对称给非线性方程组求解带来的困难,基于共旋坐标法与几何一致性相结合的原则,对三角形平面单元进行了研究。将单元共旋坐标系的原点坐标分量标始终设为三角形的3个顶点坐标分量的平均值,合理选择共旋坐标系初始时刻及任意计算时刻的坐标轴方向,基于虚功原理,利用微分方程,建立三角形平面单元在大转动、小应变条件下的几何非线性单元切线刚度矩阵和相应的节点抗力算法。研究结果表明:该切线刚度矩阵是对称的;且将该切线刚度矩阵与一种能将位移增量法与荷载增量法形成统一迭代格式的非线性方程组求解方法进行结合,能大幅简化求解过程,依据推导公式与算法开发了相应的计算程序,并利用该计算程序对柔性立柱和大变形悬臂梁的经典算例进行了计算和比较,验证了该研究理论推导结果的正确性与计算程序的可靠性,且算例2显示该算法的计算精度高于ANSYS商业数值软件的。

碾压混凝土坝渗流场分析的缝面渗流平面单元模拟法

针对碾压混凝土坝成层施工的结构特点及其渗流特性,笔者在非均质各向异性等效连续体模型的基础上,提出可精细而又方便地模拟大坝中层面、缝面和裂缝等渗流行为的缝面渗流平面单元模型。在没有增加计算网格结点的前提下,不但能高效率地刻画出层面和缝面所带来的坝体强渗透各向异性的特点,而且又能极容易地对那些局部零星分布的有强集中渗透能力的冷缝和裂缝等缝隙进行逐个细致地模拟,坝体的渗流实际情况在数值模型中得到了甚为客观的展现,提高了大坝渗流场的计算分析精度,基本上完整地解决了碾压混凝土坝的渗流建模问题。最后,较详细地进行了一个高102m的大坝的算例分析。

广义平面矩形与空间矩形块体单元

建立一类新的平面矩形与空间矩形块体单元,形函数构造考虑了单元内部不同方向位移间的耦合效应,通过对形函数引入耦合附加项,从而较真实地描述了单元内部场和节点值之间的函数关系。数值试验表明新的类型单元实施方便,较传统类型单元有更高的精度。

膜结构有限元分析中的平面单元与曲面单元的比较

在对膜结构进行有限元模拟时,通常采用两种面单元形式——平面常应变三角形单元和六结点曲面三角形等参元,究竟哪一种单元形式更优一直是存在争议的问题。首先就这两种单元的有限元格式进行探讨,比较了它们在位移模式、几何方程及刚度矩阵等方面的力学本质差异;然后,通过一些典型算例,比较了它们在计算精度和计算效率等方面的优劣。分析结果表明:在有限元格式方面,曲面三角形等参元较之平面常应变三角形单元更为完备,更加符合结构的实际受力特征;在计算精度和计算效率方面,曲面三角形等参元也要优于平面常应变三角形单元;因此,从结构精细化分析的角度来看,宜采用曲面三角形等参元来进行膜结构有限元分析。

内参型四边形四节点拟协调平面单元

在拟协调框架之下,利用新的内参形函数构造了一个四边形四节点拟协调平面单元.新的内参位移函数也可以添加到等参单元Q4中来构造新的内参型等参单元.新构造的拟协调单元QC6N具有显式刚度矩阵,因而效率更高.数值例子表明相比于四节点等参单元,新构造的单元可以提高计算精度和抗网格畸变的能力.

用拟协调元直接构造平面任意四边形单元——进入有限元的禁区

利用拟协调元方法,在直角坐标系下直接构造了一族平面任意四边形单元,对其收敛性进行了分析,并与平面等参元进行了对比研究.结果证明平面任意四边形单元可采用多项式基函数直接列式,并可以保障单元的收敛性;拟协调元列式可以使平面问题的有限元方法得到统一.与平面等参元相比,单元列式简单,性能稳定,具有显式的刚度阵,计算量小,这说明对于有限元平面问题拟协调元是一个更正确、有效的做法.

框架 - 剪力墙结构分析的高精度平面单元

从三次平面等参元出发，构造出角结点有旋转自由度的高精度矩形单元。该单元与平面等参元具有相同的单元特征及精度，同时具有连续介质力学中关于旋转度的定义。

区间B样条小波平面弹性及Mindlin板单元构造研究

基于二维张量积区间B样条小波及小波有限元理论,构造了一类用于分析弹性力学平面问题和中厚板问题的C0型区间B样条小波板单元。在二维小波单元的构造过程中,传统多项式插值被二维区间B样条小波尺度函数取代,进而构造形状函数和单元。与小波Galerkin方法不同,本文构造的区间B样条小波单元通过转换矩阵将无明确物理意义的小波插值系数转换到物理空间。区间B样条小波单元同时具有传统有限元和B样条函数数值逼近精度高及多种用于结构分析的基函数的优点。数值算例表明:与传统有限元和解析解相比,本文构造的二维小波单元具有求解精度高,单元数量和自由度少等优点。

基于平面梁单元的几何非线性分阶段成形平衡方程

为探讨几何非线性条件下基于平面梁单元分阶段成形结构最终状态的影响因素,结合其成形特点,以结构的无应力状态为分析起点计算结构系统的总势能,根据最小势能原理,建立结构分阶段成形时不考虑其成形过程的力学平衡方程,获得结构最终状态与平面梁单元无应力状态量的关系,在全量列式平衡方程的基础上,推导出增量列式求解方程,并通过算例说明平衡方程的应用。对计算结果和平衡方程的分析表明:对于由梁单元组成的分阶段成形结构,当结构体系、外荷载和边界条件一定时,即使在考虑结构几何非线性效应的前提下,其最终状态的确定只与梁单元的无应力长度和无应力曲率有关,与其成形过程无关。

平面梁单元的单元复合技术及应用

深入分析了平面梁单元内任一点的位移,根据位移协调条件,利用虚功原理建立了在母梁单元上增加并复合子梁单元的方法,能够比较方便、准确地模拟工程结构中构件含加劲材料、构件截面在不同阶段变化等问题。算例验证了该方法的可行性,演示了在使用上的便利。

基于ANSYS二次开发的几何非线性平面梁单元

共旋坐标法(C.R法)具有在局部坐标系考虑材料非线性,通过局部坐标系与结构坐标系之间内力和切线刚度矩阵的转换矩阵来考虑几何非线性,从而实现两种非线性脱耦的优点,C.R法相对于其它非线性有限元列式而言较少运用于商业程序。本文利用ANSYS平台提供的单元二次开发工具——用户可编程特性(UPFs),开发了基于C.R法的几何非线性平面梁单元,给出了详细的算法及流程,通过多个算例对本文算法及程序进行了验证。研究表明:该方法能有效利用共旋法非线性单元和ANSYS商业程序的优点,对于方框架在对边中点受一对集中力的算例1,采用二次开发的用户梁单元与beam3梁单元在每个荷载步下收敛所需的迭代次数分别为3次和6次;对于预应力钢筋混凝土悬臂梁发生大变形的算例2,上述两种单元模型进行非线性计算能收敛的预应力加载系数分别为132和128,可知本文基于共旋法得到的ANSYS二次开发用户梁单元提高了非线性计算的效率和能力,可用于平面梁结构的几何非线性分析。

大转动三角形平面单元有限元分析的共旋坐标法

基于能显著减小单刚计算量的场一致性原则,遵循标准的共旋坐标法,导出了三角形平面单元在大转动、小应变条件下的单元切线刚度矩阵.利用这一非对称的单元切线刚度矩阵编制程序,运用该程序对悬臂端作用有集中力的平面悬臂梁进行了计算.计算结果表明,所提出的单元切线刚度矩阵列式正确,该单元刚度矩阵虽然不对称,但计算较简单.这在非线性计算中对于减小由于计算机位数限制带来的累积舍入误差和提高迭代的收敛性具有重要意义.

计入初始应变项的平面梁单元非线性刚度矩阵

开展平面结构几何非线性分析时经常会遇到杆件含有初始应力力或初始应变的情况。由于非线性刚度矩阵中含有节点位移,矩阵运算量大,给刚度矩阵的推导带来很大困难。根据平面梁单元几何非线性方程,采用计入初始应力和初始应变项的一般性线弹性应力应变关系,导出了相应的切线刚度矩阵,利用MATLAB数学工具箱,给出了含有初始应力和初始应变的所有刚度矩阵的显式表达式,为程序编制奠定了基础。

平面桁架单元

基于有限元法 ,将桁架结构中的杆件作为某一平面单元的子单元 ,利用平面 4～ 8结点等参单元的形函数来表示单元内杆端的坐标和位移 ,从而把一段桁架看成一个单元 ,构造了平面桁架单元 .计算结果表明 ,用平面桁架单元解决大型桁架结构的力学计算问题是可行的 ,它能有效地减少结点数 ,达到减少计算工作量的目的 .并能满足工程精度要求 .

二次B样条平面单元

以分段二次B样条函数的Kronecker乘积为基底 ,构造有限元子空间。在广义坐标下 ,采用与等参变换类似的方法 ,按照位移有限元模式 ,构造出一种 9结点协调平面单元 ;这种单元列式简单、求解精度高、可靠性好 ,尤其重要的是对单元网格畸变不敏感。为便于对不同单元进行比较 。

考虑材料非线性时钢筋混凝土平面梁单元刚度的计算方法

在Cranston修正刚度矩阵迭代方法基础上,通过分步迭代措施和引入惩罚因子,对Cranston迭代方法进行了修正,解决了考虑材料非线性时,Cranston迭代方法计算钢筋混凝土平面梁单元的刚度有时不收敛的问题.

采用四边形面积坐标带旋转自由度的平面膜单元

给传统膜单元引入一个垂直单元平面的旋转自由度 ,可以增加位移场的阶次 ,提高计算精度 ,从而显著提高单元性能 .与一些精度高的板元组合 ,可以提高壳体的分析精度 ,还为高层结构中剪力墙提供了一种性能良好的墙单元 .本文采用最新的四边形单元面积坐标 ,利用Allman插值 ,构造出一种新型的面积坐标下带旋转自由度的膜单元 .算例计算表明 ,这种新单元精度高 ,对单元畸变不敏感 ,而且在面积坐标下 ,可求出单元刚度矩阵的积分显式 .

一个改进的平面梁单元

根据有限单元法基本原理 ,提出了一个变截面平面梁单元 ,推导了其单元钢度矩阵。这一改进的梁单元用于分析梁高呈线性变化及二次抛物线变化的矩形截面梁 ,将得到准确解。文中给出了一个变截面悬臂梁算例 ,计算表明 。