符号运算在工程分析中的应用

从用户的角度出发，简单介绍了国外符号运算在工程分析中的应用现况和发展趋势，旨在引起同行对这个领域的兴趣和重视。文中给出了一个符号运算的简单例子—用ＭＡＰＬＥ导出了１２自由度矩形板弯曲单元刚度矩阵的显式并将其自动转换成ＦＯＲＴＲＡＮ程序，以说明符号运算的优越性。可以看出，符号运算的程序简洁、直观，且不易出错。繁锁的公式推导和程序编制均由计算机自动完成，这不但大大提高了效率，而且也确保了公式推导和程序编制的可靠性。顺便指出，本文导出的矩形板弯曲单元比目前不少教材中采用的单元在性能上要优越。由于本文已给出了单元的插值函数的显式，故可望用该单元来替代教材中所用的单元．     

一种简单有效的层合板壳单元

本文通过修正普通四边形单元的横向剪切应变能而得到了一种新的四边形四节点壳单元(本文称之为L_3单元)。该单元每个节点有五个自由度,适用于各向同性、正交异性和层合板壳的线性、非线性及稳定性有限元分析。文中给出了各种类型板壳结构的算例。数值结果表明,该单元不仅公式简单、自由度少,而且具有令人满意的精度和收敛特性。     

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     

变刚度矩形薄板的弯曲和稳定计算

本文研究两对边简支,其它两边任意支承,板的刚度沿简支边方向按任意规律变化的矩形板。采用文[1]提出的有限板条元素法求解。其特点,与习用的有限单元法或有限条法不同,不是先建立单元或单条的刚度矩阵,然后拼装总体刚度矩阵再求解,而是确立各个板条元素的变位和内力的传播关系。计算实例表明该方法简便有效。     

旋转圆盘振动的动态有限元法

本文将动态有限元法推广应用于轴对称圆板在旋转状态的振动特性分析,推导出环板元的动态形函数,解决了含贝塞尔函数的疑难积分问题,并建立了单元质量和刚度矩阵以及附加刚度矩阵和一次修正矩阵。文中以算例考核,结果与精确值比较符合。最后作为具体应用实例,分析了圆盘的固有频率随转速的变化情况。     

适用于复杂空间结构的快速载荷提取技术

应用有限元理论中的节点力公式并对其进行矢量合成,解决了复杂空间结构计算规模较大无法获取截面动载荷的问题。该方法基于截面单元刚度矩阵和节点位移列阵的物理信息,具有不改变截面连接刚度、求解速度快的优点,对静力学和动力学载荷提取均有较好的求解精度,其正确性已通过典型梁、壳、体单元模型算例验证。该方法原理清晰,具有普适性,后续可推广到运载火箭和空间飞行器截面载荷计算工作中。另外还针对不同计算规模给出可行有效的载荷提取方案。     

模拟Lamb波在板结构中传播的新型谱板单元

为了进一步提高时域谱有限元法模拟Lamb波在板结构中传播的计算效率,建立了一种能够模拟Lamb波三维传播特性的二维时域谱有限板单元。首次采用了具有Lebesgue最优性质的节点分布形式和扩展位移场,每个节点有6个自由度。形成单元集中质量矩阵时采用一种简单的方法,得到的结果与将一致质量矩阵行相加后的结果相同。研究结果表明,新单元的性能与常用的两种性能优异的时域谱有限元相当;而且由于其质量矩阵的积分计算量少、稳定积分的临界时间步长大,并且能够模拟Lamb波在板结构中传播的三维特性,所以计算效率得到了明显的提高。     

几何非线性固体壳单元新列式的研究

通过定义广义应力，提出了一个改进的刚度矩阵，以克服固体壳元的厚度自锁问题；由一个基于广义应力的新的非线性变分泛函，推导了一个用于几何非线性分析的十八节点固体壳单元，精心选择低、高阶应力插值模式，保证二者正交，且对应于低阶项的刚度阵与减缩积分单元相当，对应高阶项的刚度阵用于克服单元的零能模式且可推得显式，从而显著提高了计算效率，此外该单元还拥有优秀的收敛性能，即使在非常大的载荷步下也能取得好的收敛结果。     

基于等参梯度单元的功能梯度材料结构分析

为了解决功能梯度材料非均质特征引起的特殊力学行为的模拟仿真技术难题,本文基于有限元基本理论框架,将材料梯度引入形函数,对单元刚度矩阵进行改写,发展了平面四节点与八节点等参梯度单元,并采用高斯积分数值处理方法,基于ABAQUS平台开发了等参梯度单元UEL(User-defined element)子程序,建立了功能梯度材料结构件的仿真分析方法。采用功能梯度材料正方形平板,研究网格密度对计算结果的影响,验证了平面四节点与八节点等参梯度单元的收敛性。将本文梯度单元与常规单元的计算精度进行了对比分析。当载荷条件较复杂时,常规单元计算的应力场出现阶跃,严重失真;而梯度单元得到的应力场光滑连续,可以采用较少数目的单元,即可得到比常规单元更为精确的计算结果。最后进行了功能梯度材料开孔结构和悬臂梁的计算分析,得到收敛解,需要采用的梯度单元数量远少于常规单元。研究表明,平面四节点与八节点梯度单元计算精度和效率均优于平面八节点常规单元,更优于平面四节点常规单元。     

软芯三明治梁受移动点载荷作用的动力响应

为了得到软芯三明治梁在移动集中载荷下的动力响应,基于扩展的高阶三明治梁理论和Hamilton原理,建立了任意节点的弱形式求积三明治梁单元,利用微分求积法的权系数显式表达式给出了单元刚度矩阵和质量矩阵的公式,并验证了刚度矩阵和简化质量矩阵的正确性和方法的有效性,结果表明弱形式的求积单元法具有精度和计算效率高的优点。然后,采用中心差分法首次给出了两端固支软芯三明治梁在移动集中载荷作用时的动力响应。本文的研究拓展了弱形式求积法的应用范围。     

考虑剪切变形的非协调板弯单元

本文忽略在单元边界处的法向影响,假定边界处切向转角与挠度之间的关系式,从而把一些薄板矩形和三角形非协调元推广成考虑剪切变形的板弯单元。这些单元自由度较少,简单易算,适用于各种不同的弯曲刚度与剪切刚度的比值的情形,包括薄板这样一种特殊情形。典型算例表明它们的计算结果十分良好。     

旋翼桨叶动力分析及内力计算中有限元法的改进

提高用有限无法进行桨叶动力分析、特别是内力计算的精度是本文工作的主要目的。本文建立了变剖面旋转梁协调单元族,给出了位移函数为三次、五次、七次幂多项式时变剖面旋转梁协调元的几何刚度矩阵显表达式。文中还提出了直接用节点位移计算内力的“动刚度法”。作为例子,用所给出的有限元和方法计算了桨叶弯曲振动固有频率、振型及模态弯矩。计算结果表明,工作可以达到预期的目的。     

精化杂交Mindlin板单元的几何非线性分析

基于放松单元间连续性要求约束的广义变分原理,建立了用于几何非线性分析的非协调四边形精化杂交Mindlin板元,其非线性单元刚度矩阵可按假定应变模式分解.本文列式与现有非线性杂交混合列式的主要区别在于,它吸收了现有线性杂交元列式的所有优点,引入了非协调模式和正交化.数值结果表明,正交化法可有效地改善单元的计算精度和效率,非协调模式可克服Mindlin板的自锁问题.     

一种适于复合材料层板的有限元分析方法

本文基于能够考虑局部变形效应的层板精化理论,阐述了一种复合材料层板的有限元分析方法。据此导出的单元可用最少的自由度计入层板的局部变形效应。文中还推导了一种矩形层板单元,数值算例验证了这一单元的效率。     

不规则结构有限元分析的并行处理及其在YH-1上的实现

在结构分析中,有限元方法是一个重要的数值方法。近些年来,关于单元刚度矩阵计算与总刚度矩阵合成的并行处理问题,A.K.Noor,梁维泰等人已进行了富有成效的工作,但他们的工作都是面向几何形状规则的结构分析问题。本文结合YH—1机的特点,对不规则结构分析问题,在提出单元分组技术的基础上,给出了一个单元刚度矩阵计算的并行算法ESVC,和变带宽存储格式下一个总刚度矩阵合成的并行算法ESVS。通过在YH—1并行机上对实例的计算结果表明:当同时计算的单元数r取120时,加速比s可达9.5,且r愈大,s就愈高。     

三角形薄板单元非协调性的控制和利用

本文针对三角形薄板非协调元协调误差较大的特点,通过对节点处法向导数的变化率以及单元边界中点的法向导数值加以恰当的限制,有效地控制了非协调元的协调误差,並进而利用协调误差来补偿插值误差,使单元的收敛性得到很大改善。这样,导出了一些具有较高精确度的简单(9个自由度)三角形单元。计算结果表明这些单元具有良好的收敛特性。     

一种高精度的矩形板弯曲元素

本文在物理概念的基础上提出了一种构造弯曲板插入函数的新方法。在矩形域内,按此方法得到了满足完备性要求的新的插入函数。此插入函数所包含的多项式项数在同自由度元素中是最多的。推导了以显式表示的12个自由度的矩形板弯曲元素刚度矩阵。 实例计算结果表明,本文元素收敛较快,精度较高,且具有单调收敛的特点,其扭转特性则更佳。     

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。     

基于等效刚度矩阵的复合材料机翼盒段优化设计

通过刚度矩阵转换,将复合材料层合板等效成正交各向异性材料板,并采用beam单元模拟加筋桁条。将机翼盒段的蒙皮厚度和加筋桁条面积作为设计变量,机翼盒段的质量作为目标函数,运用多岛遗传算法和序列二次规划算法相结合的优化方法,对多变量、多约束条件下的大展弦比复合材料机翼进行结构优化设计。通过算例分析,机翼的复合材料结构质量下降了9.55%,优化时间较短。     

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。》