有限元结构分析并行计算的若干研究进展

有限元结构分析并行处理在大规模科学与工程计算中占有重要地位，本文简要介绍作者在这一领域内的研究工作及其成果。涉及单元刚度矩阵的并行计算、有限元方程组的并行直接解法、有限元方程组的并行迭代解法、结构动力分析并行直接积分法、广义特征值问题的并行算法以及EBE（Element-By-Element）技术在有限元结构分析并行处理中的应用等研究领域。特别提出了“伪单元向量”与“单元分组技术”等概念与新方法；首先考虑了矩阵向量积的多自由度问题；系统、深入而又全面地研究了EBE策略在结构分析并行处理中的应用，填补了国内空白并突破了国际现有成果。     

对特征向量导数之动柔度法的补充

一种计算很多特征向量导数的动柔度法在结构处于自由状态（具有刚体运动）下，因其工作方程之系数阵为满阵，使得计算效率不如结构处于约束状态下那样好、本文移频动柔度法可以消除原动柔度法的这一缺陷，因为它的工作方程之系数阵总是具有刚度阵那样的带状特点。另外，由于对动柔度采用的移频步骤与特征方程求解时的移频技术是一致的，故而对方法的程序化极为有利。     

对特征向量导数之动柔度法补充

一种计算很多特性向量导数的动柔度法在结构处于自由状态（具有刚体运动）下，因其工作方程之系数阵为满阵，使得计算效率不如结构处于约束状态那样好。本文移频动柔度法可以消除原动柔度法的这一缺陷，因此它的工作方程之系数陈总是具有刚度阵那样的带状特点。另外，由于对动柔度采用的移频步骤与特征方程求解时的移频技术是一致的。故而对方法的程序化极为有利。     

双重互易边界元法在求解N—S方程中的应用

提出了用双互易边界元法求解Ｎ－Ｓ方程的新思路。用Ｐｅａｃｅｍａｎ－Ｒａｃｈｆｏｒｄ算子分理解将时间相依的Ｎ－Ｓ方程分解为线性和非线性子问题，线性问题用共轭梯度法解除压强－速度的耦合；非线性问题进行局部线化。对所得的Ｐａｓｓｉｏｎ方程及相关类型方程采用双重互易的边界元法求解，消除了传统Ｎ－Ｓ方程边界元解法的区域积分问题。     

复杂结构振动的一种超单元简化分析

本文提出了一种建立在常规有限元模型上的超单元分析方法,对复杂结构的振动分析进行降阶简化处理。这种方法是把结构重新以超单元形式划分,在超单元内部采用了简化的动减缩方法;边界上则采用局部位移场重新插值方法,或采用局部刚化的方法。由超单元组装得到的总体矩阵仍具有对称、稀疏等性质,得到的动力学方程仍具有常规形式。这种超单元分析方法不但大大降低了求解模型的阶次,扩大了求解能力,而且易于编程,求解方便。文中还通过摄动分析讨论了内部模态截取准则,以保证求解的有效性和可靠性。数值算例表明,本文方法是很有效的,且具有较高的求解精度。     

用离散富氏级数解回转对称空间结构

在用有限元位移法求解结构问题,特别是空间问题时,往往遇到结构自由度太多,甚至无法利用现有算机求解的问题,因此总是要想种种办法来减少自由度数。当结构有某些特点时,往往可以采用半解析、半有限元的方法来降低须用有限元求解的问题的维数,从而使自由度数大大减少。而且在用解析法计算的那一维上又可以达到很高的精度,甚至得到精确结果,因此是一条值得注意的途径。在空间飞行器设计中经常遇到一类具有迴转对称性的空间结构,就属于可以用半解析、半有限元法求解的问题。本文利用这类结构的迴转对称性,将结点位移和载荷沿圆柱     

确定次优滤波器常增益阵的传递函数法

本文提出了一种利用传递函数求解多变量线性定常系统稳态卡尔曼滤波器次优增益阵的新方法,由传递函数直接导出次优增益阵,从而避免了求解高阶非线性矩阵黎卡提方程。在求解时,通过尽可能地设置非零自由参数,并使所有参数为同一数量级,可较容易地解出次优增益阵K~(?),然后进行灵敏度分析或仿真,选出理想的常增益阵K~(?)。     

高精度微分求积曲梁单元的建立与应用

首先由能量原理导出曲梁弯曲问题的控制微分方程，在此基础上应用微分求积法原理分别给出了曲梁内点和端点的微分求积方程，由此形成曲梁单元的刚度方程，从而建立了微分求积曲梁单元，并给出了曲梁结构刚度方程的边界条件。通过算例分析，得到了微分求积单元法结构离散时应使单元数量少的原则和求解精度与单元长度比基本无关的性质。与有限元方法的结果比较表明，本文导出的曲梁单元是一种具有很高求解精度的单元。》     

大型飞机结构静动力分析的组合算法

本文针对大型飞机结构整体分析中的难点,建立了适用于全机结构静动力分析的组合算法。 1.为了分析全机结构,给出大型线性方程集的一种有效解法,使方程组带宽的大小几乎不受限制。 2.考虑具有分支系统大型结构的组合算法,充分利用结构特性和有限元分析特点,减少计算工作量,节省计算时间和机器的存贮量。 3.求大型高阶广义特征值问题时,由于机器内存容量不足及计算时间过长的矛盾,形成一种大幅度精确缩聚特征方程的方法。 从而使大型飞机结构静动力分析得以经济地完成。     

基于ALE／SUPG同步交替法求解流固耦合问题

该文基于预测一多步校正方法提出了流固耦合ALE／SUPG有限元同步交替求解法。流体动量方程采用SUPG有限元进行空间离散以消除对流项引起的数值振荡;时间域上的积分采用预测一多步校正（predictor—multicorrector）方法,对流体和结构同时进行预测;在多步校正的过程中对流体固体交替求解,从而在时间上达到同步推进。数值算例与Hughes,Chen等人的结果进行了比较,表明了该文方法的正确性。     

绝对不稳定性理论在尾流稳定性分析方面的研究

介绍了绝对／对流不稳定性的理论框架，并应用于钝体尾流剪切层的稳定性分析研究中。钝体尾流可以认为是局部平行流，而局部平行流的稳定性分析可以归结为Ｏｒｒ－Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ方程的求解。Ｏ－Ｓ方程求解化为一个复广义矩阵问题ＡＸ＝ωＢＸ，并分别约化Ａ，Ｂ为上Ｈｅｓｓｅｎｂｅｒｇ阵和上三角阵，通过Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ配置法可以求出特征值。最后对于Ｇａｕｓｓ尾流计算模型，给出了其在不同Ｒｅｙｎｏｌｄｓ下，流动     

基于CFD/CSD/CAA耦合的声气动弹性仿真技术在壁板颤振中的应用

提出了一种基于计算空气动力学/计算结构动力学/计算气动声学（CFD/CSD/CAA）耦合的声气动弹性时域仿真方法。空气动力学和气动声学分别采用大涡模拟和Lighthill声比拟理论进行计算。采用D’Alembert原理和有限元方法建立了二维简支壁板在超声速流作用下的非线性动力学方程,并在时域内进行求解。其中几何非线性采用Von Karman大变形理论描述。以二维弹性壁板作为研究对象,研究了超音速流场中噪声、气动力、和壁板之间的相互作用所产生的非线性颤振现象。     

结构无阻尼自由振动问题的有效解法——行列式查找法

“行列式查找法”是计算大型稀疏矩阵广义特征值和特征向量的有效方法之一,其理论基础是对称矩阵的各阶顺序主子阵的特征行列式形成Sturm序列。本文在更一般的条件下证明了这一性质,同时改进了K. K. Gupta提出的程序EASI,将算法用于悬臂矩形板的振动分析的结果说明它是求解结构无阻尼自由振动问题的有效方法。     

民用飞机水上迫降分析模型和数值仿真

模拟计算了飞机水上迫降的冲击载荷.利用显式积分法求解离散的扭格朗日有限元方程,并采用欧拉有限体积法求解欧拉控制方程,通过一般耦舍(General coupling)算法实现流固耦合计算,运用Dytran进行数值仿真计算.飞机结构入水时压力在初期就达到峰值,然后衰减,在峰值过后会出现小幅渡动.相同条件下弹性体材料模型的压力峰值要比刚体小.4种工况下飞机着水时的压力峰值中以5°攻角最小,随着仰角增大,压力峰值以及峰值出现的区域随之改变.     

粘弹性阻尼结构的动特性分析

本文研究了粘弹性阻尼结构动力特性的分析方法。根据分数导数模型表示的粘弹性材料本构方程,对一种阻尼材料用拟合法构造了它的力学性能解析表达式。建立了一种八自由度夹层梁有限元模型,从而给出了粘弹性阻尼结构的典型动力学方程。为分析粘弹性阻尼结构的动力特性,提出了一种非线性特征值问题的迭代解法。应用上述方法对悬臂约束阻尼层梁的复模态参数进行了分析,并进行了实验验证。结果表明,分析与实验的结果一致,说明本文所提出的方法是可靠的且有较好的精度和实用性。     

电磁场计算中一种特殊边界条件及其在波阵解中应用

提出了一种周期边界条件在电磁场有限元方程组中的处理公式，经推导表明，该处理方法的核心是在总体刚度矩阵对有关周期单元系数矩阵的二次叠加，随后着重分析讨论了该公式在波阵解中的实现方法，主要包括建立有关周期边界单元及节点编号数组，建立存贮这些单元系数阵的公用数组，在引应边界节点地上系数矩阵的二次叠加以及改变周期单元节点在“波阵”中的消元次序等。通过这些措施，克服了波阵法不能求解带有约束条件的大型线性方程     

随机有限元方程一般式的两种推导方法

８０年代初发展起来的随限元法是解决随机问题强有力的数值分析工具，如随机动力学、随机场及结构强度的可靠性等等问题，本文从有限元基本方程出发，分别采用对有限元方程按Ｔａｙｌｏｒ级数展开和对有限元方程求偏导数等方法。推导了随机有限元基本方程的一般式，并用数学归纳法证明了上述两种方法推导结果的与等效性，本文研究表明，Ｔａｙｌｏｒ级数展开法推导，数学意义明确，但推导过程较为复杂；而按求偏导数法，数学意义不够     

基于VUMAT的三维裂纹动态扩展有限元模拟

文章基于ABAQUS/EXPLICIT平台的VUMAT接口,直接对材料积分点添加自定义本构方程和失效准则,开发了三维裂纹动态扩展子程序.在网格适当加密的情况下就能完成三维裂纹动态扩展模拟.在加载策略上选用适应性较强的增量法,直接在软件中通过增量步控制求解过程和收敛性,计算结果与试验结果一致.本文方法基于商业有限元软件ABAQUS,仅对材料本构方程和积分点失效进行编码,无需调整和重新划分网格,操作简单,计算效率高,适合推广到复杂的本构关系和大型工程模型.     

特征向量导数计算的简单动柔度法

在计算很多特征向量导教时，以Nelson法为代表的直接法都显出效率低下，第二作者为此发展了直接法的一个分支──动柔度法。本文虽是动柔度法的继续，但就非重特征值情况而言，它是一种最好的动柔度法，因为它像Fox法一样，“一步求解”便可获得通解，然而它又不存在Fox法的缺点──支配方程的系数阵为满阵，所以说，在计算很多非重特征值的特征向量导数时，简单动柔度法不仅在计算步骤上比Nelson法简单，而且在计算时间上成倍地减少。     

多随机变量的桁架结构系统的可靠性分析及优化设计

针对桁架结构系统，采用随机有限元法（SFEM）计算结构系统的响应量，考虑内力重新分配，建立失效模式的安全余量方程，用验算点法计算失效模式安全余量的可靠性指标，用改进的分枝限界法，寻找主要失效模式，通过对主要失效模式方程线性化研究，计算失效模式安全余量之间的相关系数，寻找主要失效模式，通过对主要失效模式方程线性化研究，计算失效模式安全余量之间的相关系数，最后用PNET法计算出结构系统的失效概率，同时给出多随机变量的结构系统可靠度的敏度表达式，采用最佳矢量法，求解了大型桁架结构系统基于可靠性指标约束下的最小重量的优化设计问题，最后，给出了实际算例，计算结果表明；采用随机有限元法能更好地考虑结构系统的多个随机变量对系统可靠性产生的影响；所采用的可靠性分析方法和优化方法是有效的。