构造几何不敏感四边形膜元的广义协调方法

许多有限元模型在规则网格下具有很高的精度，但当网格畸变程度增大时，其计算精度也随之迅速下降．如何构造出对网格畸变不敏感的单元，长期以来是人们十分关注的课题．本文应用作者早期提出的广义协调方法，构造出具有平面内旋转自由度的任意四边形膜元．该单元不仅列式简洁，而且具有对网格畸变极不敏感的优异性能。

采用面积坐标的四结点四边形膜元

四边形面积坐标克服了等参坐标的一些缺点，如一般等参坐标不能用直角坐标的有限项来表示，单元刚度矩阵通常得不到积分显式等.同时四边形的面积坐标体系也可以与三角形面积坐标相互沟通，为四边形和三角形两类不同单元局部坐标格式的统一，提供了有效手段.本文采用四边形面积坐标体系，应用广义的协调方法，在文献［1］的基础上构造出一个四结点四边形平面问题单元MAGQ4.算例表明，该单元是收敛、可靠而且具有较好精度的平面问题四边形单元.

张力膜结构初始形态分析的曲面四边形单元

张力膜结构的初始形状不能随意选择,它必须符合平衡条件和建筑使用要求。根据几何非线性有限元理论,提出张力膜结构初始形态分析的8结点曲面四边形等参单元。通过建立曲线坐标,在应变的线性部分引入法向位移及单元曲率和扭率的影响,推导了张力膜结构的单元刚度矩阵和结点力列阵。采用完全的Newton-Raphson迭代法求解非线性方程组。数值算例表明该单元是一种高效、稳定和可靠的单元。

高阶四边形面积坐标方法构造八节点四边形膜元

采用八节点四边形高阶等参形函数,对面积坐标(L1,L2,L3,L4)修正改进,得到高阶八节点四边形面积坐标。它是新型的八节点四边形面积坐标方法,能构造一种四边形膜元,可以处理曲边四边形八节点单元的情形。计算结果表明:它具有较好的抗畸变性能和计算精度。

两个抗畸变的四边形膜元

为了保证单元的可靠性,单元应具备抗畸变的良好性能。但现有不少单元对网格畸变十分敏感,如Serendipity等参元。在规则网格情况下,它们的精度不错;而当网格畸变时,其精度则急剧下降。为了克服这一缺陷,文献中提出了各种方案,使畸变敏感现象得到减轻,但目前这一缺陷尚未得到根治。该文旨在研究抗畸变的四结点四边形膜元。鉴于Serendipity等参元的上述缺点,该文不采用等参坐标而改用四边形面积坐标,并构造出两个抗畸变的四边形膜元AQ6I和AQ6II。数值试验结果表明,这两个单元不仅可以在畸变网格下给出纯弯问题的精确解,而且可以克服MacNeal畸变网格细长梁的梯形闭锁现象。弱式分片检验表明这两个单元是收敛的、可靠的。

采用面积坐标的抗畸变四边形曲边膜元

目前普遍采用的传统等参元族对网格的曲边、直边畸变均十分敏感。该文在已有的采用四边形面积坐标四边形4结点膜元基础上,构造了4个新型四边形广义协调曲边膜元5结点元ACG-Q5、6结点元ACG-Q6、7结点元ACG-Q7和8结点元ACG-Q8,形成一个完整的采用面积坐标的膜元系列。这4个单元列式简单、便于应用,且位移场实现了直角坐标的二次完备,单元精度高,对网格曲边和直边畸变都不敏感。算例表明这4个单元可以有效克服MacNeal梁、薄曲梁等传统等参元无法克服的多种闭锁现象。此外,通过这4个单元的建立还提供了一种将4结点单元推广到更多结点单元的一种通用方法。

用第三类四边形面积坐标构造一个四结点四边形膜元

四边形第一类和第二类面积坐标(QAC-Ⅰ和QAC-Ⅱ)分别被提出以后,又提出了第三类面积坐标(QAC-Ⅲ),它不仅保留了QAC-Ⅰ和QAC-Ⅱ的主要优点,而且具有其他一些优异特性。该文应用第三类四边形面积坐标(QAC-Ⅲ),构造出一个含内参的四结点四边形膜元,记为QACⅢ-Q6元。这个新单元有以下优点:1)与Wilson的Q6元相比,新单元具有计算精度高,对网格畸变不敏感的优点;2)与基于QAC-Ⅰ和基于QAC-Ⅱ的Q6元相比,新单元不仅具有同样优异的单元性能,而且其推导方法更为简明,其形函数更为简洁。

采用曲面四边形单元分析张力膜结构内力

根据几何非线性有限元理论,采用8节点曲面四边形等参单元,分析了张力膜结构内力。对褶皱单元的处理,提出了平均主应力褶皱判断准则。对不同矢跨比、初始预应力、不同荷载类型等参数组合下的菱形马鞍面张力膜结构进行较为系统的内力性能比较。矢跨比和初始预应力的大小对该结构的内力和变形产生较大影响,而其他参数影响不大。程序经过算例验证,结论表明该方法的可靠性和有效性。