含裂纹压电材料的Cell-Based光滑有限元法

裂纹缺陷限制了压电材料更广泛的应用和相关器件性能的进一步提升.为提高求解压电材料断裂参数的精度和效率,将复势函数法和Cell-based光滑有限元法引入到含裂纹平面压电材料问题中,提出了含裂纹压电材料的Cell-based光滑有限元法.以含中心裂纹压电平板的问题为例,对不同材料、裂纹长度、网格和光滑子元数下的正则强度因子进行了讨论,并与FEM作了对比,数值算例结果表明,Cell-based光滑有限元法改善了有限元法刚度"偏硬"的缺点,具有高精度、高效率的优点.

界面裂纹的Cell-Based光滑有限元法研究

为提高求解含界面裂纹结构断裂参数的精度,基于界面断裂力学和Cell-Based光滑有限元法,提出了求解双材料界面裂纹断裂参数的Cell-Based光滑有限元法,给出了求解应力强度因子的光滑子域交互积分法,对含中心界面裂纹双材料无限板进行了模拟,并与FEM计算结果和解析解进行了对比,讨论了光滑子元数和单元个数与正则应力强度因子的关系及其收敛性.数值算例结果表明该方法具有很好的收敛性和精度,可为研究人员和工程师设计制造多层材料提供必要参考.

力电湿多物理场耦合Cell-Based光滑有限元法研究

为了解决压电结构在实际工程应用中受到空气湿度影响的问题,基于压电材料的本构方程、几何方程和平衡方程提出了力电湿多物理场耦合Cell-based光滑有限元模型.建立了一种新型压电俘能器,并对其简化模型的静力学性能进行求解,对比了不同湿度变化对结构性能的影响.与有限元法的计算结果对比,Cell-based光滑有限元法采用较少的网格就能够达到与有限元法采用较多的网格相同的精度,验证了本方法的正确性和有效性.研究发现,较小的湿度变化给结构的广义位移带来了较大的影响.压电结构在潮湿环境下的性能研究为复合材料产品化过程提供了理论依据.

非均匀材料界面裂纹的Cell-Based光滑有限元法

为提高非均匀材料界面裂纹尖端断裂参数的求解精度,基于非均匀材料界面断裂力学、Cell-Based光滑有限元(Cell-SFEM)和非均匀材料的互交作用积分法,提出了求解非均匀材料界面裂纹尖端断裂参数的CellBased光滑有限元法,推导了基于Cell-Based光滑有限元法的非均匀材料的互交作用积分法,对非均匀材料间的界面裂纹尖端处正则应力强度因子进行了求解,并与参考解进行了比较,讨论了互交积分区域大小和光滑子元个数与正则应力强度因子的关系。数值算例结果表明:本方法具有很高的计算精度,对积分区域大小不敏感,可为设计、制造抗破坏非均匀材料提供依据。

含裂纹复合材料的Cell-based光滑扩展有限元法

为克服有限元法(FEM)某些固有的缺陷,提高计算精度,将Cell-Based光滑有限元法(CSFEM)与扩展有限元法(XFEM)相结合,提出光滑扩展有限元法(CS-XFEM).用该方法对含中心裂纹和斜裂纹的正交各向材料板进行模拟,并与FEM,XFEM和BXFEM(bimaterial extended finite element method)计算结果进行对比.数值算例结果表明,CS-XFEM兼具CSFEM和XFEM两者优点:单元网格与裂纹面相互独立,裂尖不必是单元节点,裂尖处网格也不需要加密,域内积分可转化为边界积分,形函数不需求导,对网格质量要求低;因此是分析断裂问题的简洁高效的数值计算方法.

混合光滑有限元法在岩土体变形及稳定性分析中的应用

在节点光滑有限元法(NS-FEM)中,位移、应力和应变等变量均存储于单元节点,有助于该方法的数值精度提升和便利实施。然而,在岩土体变形分析中,NS-FEM可能会导致非物理的变形。本文针对该问题,对NS-FEM引起岩土体非物理变形的原因进行研究,发现非物理变形由NS-FEM组装刚度的不均匀引起。为了避免或减轻组装刚度的不均匀问题,采用有限元法(FEM)和NS-FEM的组合方法,即混合光滑有限元法(HS-FEM),对岩土体变形和稳定性进行分析。分别对平面应变条件下柔性条形基础(不考虑土体自重)、带有圆形孔洞的线弹性介质和双层土质边坡问题进行分析,结果表明:结合推荐的α值,HS-FEM(α)在岩土体变形和稳定性分析中具有较好的应用效果和适用性。

功能梯度板动力分析的光滑有限元法研究

为提高功能梯度板动响应问题求解精度,基于一阶剪切变形板理论,提出了求解功能梯度板自由振动问题的Cell-Based光滑有限元格式.功能梯度板材料属性沿厚度方向呈梯度连续变化,计算系统刚度矩阵时在光滑域内进行光滑梯度操作,可提高求解精度.采用Cell-Based光滑有限元法,讨论了长厚比、形状因子和边界条件对两种典型功能梯度方板无量纲频率参数的影响,并与FEM法的解和文献中的解做了对比.数值算例的结果表明,光滑梯度操作可改善有限元系统的刚度,Cell-Based光滑有限元法的计算结果更加逼近真实解,从而为功能梯度材料的进一步应用打下基础.

二维复杂弹性空腔的边光滑有限元建模及分析

在弹性空腔结构上敷设被动约束层阻尼(passive constraint layer damping, PCLD)可达到减振降噪的效果,针对这类复杂结构建立了二维复合弹性空腔的边光滑有限元耦合动力学模型。其中,PCLD结构采用两节点四自由度的PCLD梁单元,声场采用边光滑有限元模型。以二维全敷设复合矩形空腔模型为数值算例,以精细网格下的有限元法结果作为参考解,对比研究了在相同背景网格下,边光滑有限元法和有限元法的频响结果,发现前者更接近参考解,说明同样的计算成本下,边光滑有限元法具有更高的精确性,特别是在中频计算中。最后,分析了PCLD结构对某汽车驾驶舱的降噪效果,以及黏弹层和约束层厚度参数的影响规律,发现黏弹层厚度增大,可一定程度上降低空腔噪声,而约束层厚度增大,并不能在整个频段得到很好的降噪效果。

接触与大变形问题的光滑有限元分析

橡胶材料因具有良好的抗震、吸能作用,在实际工程中应用广泛.然而橡胶超弹性材料的碰撞属于强非线性问题,分析橡胶材料的接触碰撞和大变形问题对于提高装置的缓冲性能具有重要意义.光滑有限元法(smoothed finite element method,S-FEM)是一种弱形式的数值计算方法,相比于传统的有限元方法,光滑有限元法对网格的质量要求不高,允许单元在计算过程中发生较大的变形,且光滑域的构造比较灵活,在不增加自由度的前提下,可以达到较高的精度.在光滑有限元法的基础上,采用双势方法进行接触计算,以充分利用光滑有限元法计算大变形问题的优点和双势方法求解接触力的优势.通过与有限元软件MSC.Marc的数值结果对比,验证了该算法的准确性和能量守恒性,并且分析了摩擦因数对碰撞体的影响.

二维光滑边域有限元法在弹性力学中的应用研究

在深入理解光滑有限元法基本理论的基础上,重点研究了光滑边域有限元法边域的形成方式,光滑应变矩阵的求解方法以及光滑有限元形函数的计算方法。利用C++语言编制了光滑边域有限元计算程序,针对具有解析解的二维悬臂梁模型和带孔板模型计算了位移场、应力场、位移误差和应变能误差,并与常规T3和Q4有限元法、CS-FEM光滑有限元解比较。通过研究发现相对于常规有限元法,光滑边域有限元法在解的精确性和收敛性方面具有显著优势。

二维声学数值计算的光滑有限元法

针对声学有限元分析中四节点等参单元不规则网格计算精度低甚至结果错误的问题,将光滑有限元法(Smoothed finite element method,SFEM)应用到不规则四边形网格的声学计算中,推导出光滑有限元法分析二维声学问题的原理公式。声学SFEM将声压梯度光滑处理技术结合到标准有限元法中,对声压梯度进行分区光滑处理,用光滑声压梯度来计算声学刚度矩阵,光滑域内对形函数梯度的积分转变为域边界上形函数积分,消除了坐标变换,提高了计算效率。以二维管道声腔和车内声腔模型为数值算例,研究结果表明,与标准有限元法相比,对扭曲严重的四边形网格,声学光滑有限元法具有更高的精度和准确度,特别是高频计算时。因此,光滑有限元法可以很好地应用于二维声学不规则网格的计算中,具有广阔的应用前景。

一种光滑粒子流体动力学-有限元法转换算法及其在冲击动力学中的应用

为了解决冲击动力学中的大变形问题,提出了一种光滑粒子流体动力学-有限元法(SPH-FEM)转换算法,以等效Mises应力作为转换判据,将冲击过程中局部大变形区域的有限元网格转换为SPH粒子.该算法在大变形区域使用具有优势的SPH,在小变形区域使用精度和效率更高的FEM,为冲击动力学问题的数值计算提供了一条有效途径.使用SPH-FEM转换算法对圆柱形钢弹正冲击钢板发生冲塞破坏的过程进行了三维数值计算,计算结果与实验吻合较好,显示了该算法在计算精度方面的优势.在实际工程中,需要根据具体材料的失效模式,选择更加合适的转换判据.

壳结构声场耦合分析的光滑有限元-有限元法

为提高壳结构-声场耦合分析的计算精度,将光滑有限元法(smoothed finite element method,SFEM)推广到壳结构-声场耦合问题的结构域分析中,推导了光滑有限元-有限元法分析壳结构-声场耦合问题的计算公式。结构-声场耦合系统方程在结构中用位移法表示;在流体中用声压法表示。在结构域中应用分区应力光滑技术,提高了弯曲刚度矩阵和膜刚度矩阵的计算精度和效率;在流体域中应用标准有限元模型进行分析。以六面体声场-结构耦合模型和简化的微车声固耦合模型为研究对象,结果表明,与有限元相比,该方法在分析结构-声场耦合问题时具有更高的精度。

基于边光滑有限元法的剪切变形板几何非线性分析

为改善在计算板的几何非线性问题时有限元法系统过硬的数值缺陷,提高计算精度,在考虑剪切变形的von Karman假设下,基于全拉格朗日描述方法,将边光滑有限元法应用于板的几何非线性分析.计算公式基于1阶剪切变形理论,并采用离散剪切间隙有效地消除剪切自锁.在三角形单元的基础上进一步形成边界光滑域,在每个光滑域内对应变进行光滑操作并进行数值积分,并通过光滑Galerkin弱形式得到离散方程.数值算例的结果表明:基于边的光滑操作在一定程度上软化数值模型,改善传统有限元系统过刚的数值缺陷,提高数值解的精度.

基于随机场正交展开理论的Cell-based随机光滑有限元方法

为解决工程结构中随机参数大变异问题,提出基于正交展开理论的Cell-based随机光滑有限元方法.该方法采用Karhunen-Loève级数将随机场分解为不相关随机变量,再使用混沌多项式将位移随机响应展开,将展开后的随机场及位移响应引入到Cell-based光滑有限元中.详细推导了基于正交展开理论的Cell-based随机光滑有限元平衡方程,进一步给出了结构位移均值与协方差矩阵的计算公式,具有对网格要求低、计算精度高的优点,并对材料特性具有随机性的带孔方板的随机响应问题进行了分析,数值算例结果表明该方法是正确有效的.

基于边光滑有限元法的结构振动与稳定性研究

用一种新型的数值方法—边光滑有限元方法(edge-based smoothed finite element method,ES-FEM)对梁、板等简单结构的振动与稳定性问题进行分析与研究。光滑有限元方法在计算系统总体刚度矩阵时在构造的光滑域内对应变进行光滑操作,这样得到的刚度矩阵改善了有限元方法过刚的数值缺陷。对梁和板结构在一定边界条件下的振动与稳定性问题的分析结果表明:与其它有限元方法相比,光滑有限元方法提高了数值计算结果的精确度和收敛性。

基于光滑边域有限元法的二维裂纹扩展分析

为了提高预测裂纹扩展路径的准确性和效率,本文将光滑边域有限元法和虚拟裂纹闭合法相结合,利用常应变三角形单元,获得裂纹尖端处的断裂控制参量应力强度因子,并运用最大拉应力准则求得裂纹在荷载作用下的启裂方向,对裂纹扩展轨迹给出自动跟踪方法;对三个典型二维裂纹扩展模型,预测了裂纹扩展路径,并将结果与参考文献中的结果进行对比,验证方法的有效性与准确性。数值结果表明:该方法具有单元简单、网格尺寸要求低、裂纹尖端处单元不需特殊处理等优点,是分析裂纹扩展问题简洁高效的数值计算方法。

基于非均匀光滑有限元法的功能梯度压电梁自由振动分析

为了提高求解功能梯度压电材料动响应的精度,克服有限元系统刚度偏硬的缺点,提出非均匀Cell-based光滑有限元法。基于单元的梯度光滑操作,考虑材料物性沿宽度方向呈梯度连续变化,推导非均匀Cell-based光滑有限元法的基本公式,分析功能梯度压电悬臂梁的材料物性参数遵循不同梯度分布规律时结构自由振动的固有频率与振型,并与FEM求解结果进行对比。研究结果表明:光滑梯度操作可降低有限元系统的刚度,非均匀Cell-based光滑有限元法的数值解更加接近真实解,从而可为功能梯度压电材料的进一步应用提供参考。

基于非均匀光滑有限元法的含圆孔功能梯度压电板应力和电场集中因子分析

为提高含圆孔功能梯度压电板应力和电场集中因子的求解精度,提出含圆孔功能梯度压电板的力电耦合非均匀基于单元的光滑有限元法。采用高斯点处的真实材料属性进行计算,分析材料属性按某一方向呈指数函数梯度变化时含孔功能梯度压电板应力和电场集中因子,并与非均匀有限元求解结果进行对比。研究结果表明:该方法求解力电耦合作用下功能梯度压电板的应力集中因子和电场集中因子具有较高的精度。

基于面光滑有限元法的三维声传播问题研究

为解决标准有限元方法"过刚"的特性,采用一种基于面的光滑有限元法(FS-FEM)来求解三维声学问题,在FS-FEM模型当中,应用四节点的四面体单元来离散三维声场域,通过与四面体单元面相关的光滑域并运用伽辽金弱形式来建立线性离散系统的控制方程,在面光滑域上进行的梯度光滑操作能够"软化"原来"过刚"的FEM模型,因此能够减少数值离散误差。数值仿真结果表明:运用相同的网格密度,FS-FEM能够得到比FEM更加精确的计算结果。