基于SBFEM和样条插值的多边形偶应力/应变梯度理论单元

偶应力/应变梯度理论是刻画材料在细观或微观尺度的应变非局部化现象的理论,其基本方程是在传统连续体力学二阶微分方程基础上增加含有材料长度参数的四阶微分方程.偶应力/应变梯度理论有限元的节点参数包含位移的函数值和导数值,并由C0-1和C1增强分片检验要求单元对位移函数满足2次完备性和C0连续.相比三角形和四边形单元,构造具有高阶完备性的多边形单元形状函数更有难度,目前还缺少用于求解偶应力和应变梯度理论的多边形单元的研究.本文采用比例边界有限元方法(SBFEM)和基于离散Kirchhoff理论的多边形薄板样条单元(DKPS)相结合的方法,构造用于求解偶应力/应变梯度理论的多边形单元(SBFEMd3-DKPSd2).分别用SBFEM中环向3次单元和DKPS单元计算单元应变和应变梯度的刚度矩阵,避免了单元形状函数表达式的计算,并满足偶应力/应变梯度理论分片检验的要求.数值算例显示,该单元对凸多边形、非凸多边形和1-irregular退化的网格都有很好的计算精度.     

有限元增强型分片检验

针对常应力分片检验理论上的不严格和不能做Mindlin 板非零常剪力及细观应变梯度理论非零常应变梯度曲率分片检验的问题, 基于对应齐次阶微分方程的放松连续条件的不协调元的变分原理, 建立了通过分片检验的单体条件及被检验单元的收敛条件: 除通过分片检验外, 单元函数还应包含刚体位移和常应变模式,无伪零能模式和满足弱连续条件. 建立了对应非齐次阶微分方程的放松连续条件的不协调元的变分原理和增强型分片检验条件及单体条件, 通过增强型分片检验条件的单元的收敛条件是单元函数应包含刚体位移和满足平衡的非零应变模式, 无伪零能模式和新的弱连续条件. 提出的增强型分片检验条件是对齐次和非齐次阶微分方程的分片检验统一提法. 对Mindlin 板问题建立了非零常剪力分片检验, 对细观偶应力-应变梯度理论问题建立了非零常应变梯度曲率C^0-1分片检验.     

细观尺度C0和C1理论及有限元分片检验函数

细观尺度理论有多种理论和不同分类, 其中值得关注的分类是转角（或应变）和位移变量“独立”和“不独立”细观理论, 按有限元法可称为C0和C1理论. 细观尺度理论有限元收敛性条件还远不如经典板弯曲理论清楚, 本文基于增强型分片检验理论, 对两类细观理论建立了检验这类细观单元收敛性的分片检验的检验函数. 进一步研究了两种细观理论和有限元模型的区别和联系, 两种理论模型引出细观理论有限元法新提法： （ⅰ） 位移-转角不独立理论的C1类单元, 要求单元函数同时满足C0和C1连续; （ⅱ） 位移-转角独立理论的C0类有限元提出新的收敛条件： 非零常剪力增强分片检验, 和C0单元逼近C1单元要求通过零剪力增强分片检验.     

应变梯度理论有限元:C0-1分片检验及其变分基础

基于细观有限元弹性应变梯度理论,首次提出应变梯度有限元的C^0-1分片检验条件及其变分基础和一种构造应变梯度单元的方法．与常规的C^0分片检验和C^0分片检验不同,C^0-1分片检验要求检验函数为满足平衡方程的二次函数,并同时通过线性平面应力C^0分片检验和应变梯度常曲率的C^1分片检验．进一步提出一个平面18-DOF三角形应变梯度单元(RCT9 RT9),算例表明该单元通过C^0-1分片检验,无伪零能模式,并有较高的精度。     

常规及偶应力轴对称有限元分片检验函数

我们提出的增强型分片检验可以用于检验一类非齐次阶微分方程的有限元的收敛性.由此,建立了常规轴对称问题和轴对称偶应力/应变梯度C1理论有限元增强型分片检验的检验函数,并得到重要结论：这类轴对称有限元的分片检验函数不含常剪应力项.     

修正偶应力理论层合薄板自由振动模型及尺度效应

通过引入各向异性的细观尺度复合材料层合板的本构方程,将各向同性修正偶应力理论推广到各向异性,基于虚功原理首次建立了复合材料层合板新修正偶应力理论的自由振动模型.该理论包含不同的两个材料细观参数,偶应力曲率应变不对称.但是,用于各向同性材料与原修正偶应力理论等价,为了便于工程应用,建立了只含一个细观材料参数的偶应力层合薄板理论弯曲和振动的简化模型.算例表明建立的偶应力层合薄板模型能用于分析层合板的自由振动尺度效应.     

超固结土模型平面应变分叉理论解与数值模拟

应变局部化理论最基本的问题在于局部化分叉产生的条件.针对基于伏斯列夫面超固结黏土三维弹塑性本构模型,推导平面应变条件下局部化分叉理论解及因局部化分叉而产生的剪切带倾角的表达式,并分析不同超固结比对局部化分叉理论解和剪切带倾角的影响.理论分析表明,在平面应变条件下,土体局部化分叉出现在应力应变硬化阶段,剪切带倾角在分叉前随着应变局部化的扩张发生显著变化,在分叉后趋于稳定.最后,利用非线性有限元软件ABAQUS,在平面应变应力路径下对均匀各向同性多单元立方体局部化分叉现象进行数值分析,得出的局部化分叉数值解与理论解较为一致,验证了理论解的可靠性.     

颗粒材料修正的微形态连续体模型研究

基于细观力学给出了1个颗粒材料的修正的微形态连续体模型。在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且对颗粒间的相对运动进行分解,认为颗粒的细观真实运动(包括平动和转动)是由细观平均运动与1个表征相对于平均运动的波动组成。对微曲率进行对称修正,推导得到了与对称应变张量共轭的对称柯西应力张量,与对称微曲率张量共轭的对称偶应力张量,以及与非对称相对应变张量(微曲率张量)共轭的非对称相对应力张量(偶应力张量)。基于运动分解与对称修正,最终得到了1个颗粒材料的1阶微形态宏观本构关系。宏观本构关系包括应力-应变关系,偶应力-微曲率关系,以及相对应力(偶应力)-相对应变(微曲率)关系。宏观本构模量通过表征细观信息的接触刚度、内部长度参数等识别。     

考虑剪切变形的RC结构梁柱单元模型

基于纤维模型有限单元柔度法,考虑轴向、弯曲和剪切效应,对钢筋混凝土结构承受单调荷载作用进行非线性分析.应用多轴应力状态下的塑性应力-应变关系理论,在单元模型中考虑了弹塑性区域剪切变形对单元弹塑性刚度的影响,建立能够考虑梁柱非线性剪切变形的纤维单元在复杂加载历史中的切线刚度矩阵.在所建立的截面刚度矩阵中,剪切变形和轴向、弯曲变形不耦合,而剪切和弯曲力在单元层面耦合,且在梁单元上满足力的平衡关系.将计算结果和钢筋混凝土柱的加载试验结果相比较,验证了模型的有效性.     

一种受剪细观损伤单元模型及其应用

基于剪切损伤破坏机制,发展了相应的细观损伤单元模型,它由弹脆性的微弹簧和模拟裂缝滑移的塑性元件组成.混凝土单轴受压时的宏观性能可用受剪细观损伤单元的并联体来解释,由此建立了混凝土单轴受压的损伤本构关系模型,并建议了塑性变形的简化计算方法.通过引入混凝土剪切单元破坏应变分布随机场,推导了应力与损伤的均值、标准差的表达式.根据混凝土单轴受压时的应力-应变全曲线试验结果,结合随机建模原理和优化算法确定随机场参数和材料参数,将分析得出的受压随机应力-应变关系与试验结果进行比较,二者吻合良好.     

Mindlin板弯曲和振动分析的高阶杂交应力四边形单元

基于Mindlin板理论提出了一种高阶八节点杂交应力四边形单元.该单元不仅能通过零剪力分片检验,而且能通过非零常剪力增强型分片检验.单元边界位移插值采用任意阶Timoshenko梁函数,对不同厚跨比的四边简支、固支方板,以及圆板进行了弯曲和自由振动分析,数值结果表明无论对薄板还是中厚板,该单元均是准确和有效的,并且具有几何不变性.     

踏面磨耗对轮轨接触特性影响研究

应用有限元计算方法,以实际测试接触斑验证计算模型和方法的正确性;在此基础上,分析了踏面磨耗对轮轨接触特性的影响。首先,通过实际测试得到轮对的踏面轮廓坐标数据,根据实测数据建立有限元模型。应用感压胶片现场实测得到轮对自重时轮轨接触斑的大小,与有限元仿真轮对重力作用下的接触斑进行对比,证明有限元模型和接触参数设置的正确性。应用此有限元模型,研究了随着车辆运行里程的增加,车轮不断磨耗而发生变化的车轮型面对轮轨接触斑、接触应力的影响变化规律。结果表明:初期随着磨耗的增加,轮轨型面更加匹配,接触应力逐渐减小,磨耗速度逐渐降低;当车轮磨耗到一定程度后,接触应力和磨耗速度又快速上升。     

复合材料螺接修理层压板剩余强度评估

复合材料结构修理是飞机复合材料结构全寿命周期中不可或缺的重要环节。螺接修理传递载荷大,操作简单,易于外场实施。快速估算螺接修理结构的剩余强度,有助于修理参数优化及修理方案的设计。采用基于子模型法的有限元数值分析方法,快速预估螺接修理层压板结构的承载能力。模型中复合材料层压板和金属补片用壳元模拟,螺栓用梁元模拟,采用多点约束技术模拟螺栓与螺栓孔的接触。在整体模型应力分析的基础上,选择高应力区建立子模型,提出0°层点应力准则判断层压板是否破坏,根据粱元剪力的大小用工程方法评估螺栓的强度。分析表明,分析方法建模简单、计算周期短、分析结果与试验结果误差在5%以内,可以满足工程设计和分析要求。     

四节点中厚扁壳杂交优化应力元

建立了一种任意形状的四节点杂交/混合扁壳有限元。基于数值性能优化原理，引入非协调模型的能量相容条件，对单元初始应力进行优化，合理地选择非协调位移场，通过简化泛函进行列式。单元考虑了横向剪切效应，近似采用了Reissner-Mindlin板理论，适用于中厚扁壳。数值研究表明，单元满足分片检验，不含多余零能模式，精度高，对单元畸变不敏感，厚度趋于极限时不出现“自锁”现象，且弯矩-位移响应良好。     

高隔离度的双极化口径耦合微带单元与阵列天线

提出一种新型的双极化微带贴片单元与其阵列设计,该单元采用一对相互垂直的“H”形缝隙作口径耦合馈电,获得了良好的端口隔离度(在工作频带8.8～9.8 GHz内实测值大于42 dB).该结构用于SAR系统天线的子阵设计时,其网络布置较为简单.基于此设计,研制了八单元直线阵列天线,理论仿真和实验相当吻合,不但测得高的端口隔离度(>30dB),而且实测的交叉极化特性很好(<-32.5 dB).     

建筑PVC膜材双轴正交拉伸循环试验

通过对PVC膜材进行7种应力比下的双轴正交拉伸循环试验,经纬向应力比值分别为0∶1,1∶5,1∶2,1∶1,2∶1,5∶1和1∶0,对膜材在双轴拉伸作用下的拉伸特性进行了研究.试验表明,经过3次循环作用后,膜材的力学试验性能更接近工程实际情况,且材料具有非线性和正交各向异性.在循环荷载作用下,初次循环后残余应变较大.随着循环次数的增加（一般3次后）,残余应变趋于常数,滞回曲线形状趋于稳定.采用双轴拉伸试验方法测定了PVC膜材的广义泊松比,验证了广义泊松比的非线性特征.试验证明,当经纬向应力比C≥1时,经向应变为正值;当C≥0.5时,广义泊松比变为负值;当应力比C为1∶0或0∶1时,双轴变成单轴试验,广义泊松比测定变成常规泊松比试验.理论和试验均证明当C1时,膜材的经向和纬向同时具有最大的弹性模量.     

两相多孔介质动力问题的混合有限元及其解法

针对基于混合物理论的流体饱和两相多孔质模型,采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ加权残值有限元方法导出基于ｕ＾Ｓ－ｕ＾Ｆ－ｐ３个变量的混合有限元动力平衡方程。这种方法克服了 限元方法选择恰当的罚参数的困难,且计算得到的压力分布的精度高于罚有限元方法。由分片试验得出节点压力插值函数的阶须高于固体相节点位移插值函数的阶的重要结论。     

微细塑性成形计算机模拟技术研究

在分析应变梯度塑性理论的发展及其应用的基础上，参考目前一个新的考虑了材料尺度效应的硬化关系，采用理论分析、计算机模拟和实验分析相结合的方法，对微细零件的冲压成形工艺进行了系统研究．利用ABAQUS／Standard的用户材料子程序UMAT编写程序，并成功被ABAQUS调用；运用编写的程序模拟了薄悬臂梁的微弯曲情况，并与实验结果比较分析，结果证实了所采用的本构关系和开发的用户子程序的有效性和实用性。     

厚板低阶广义协调矩形元

采用常内力状态下的广义协调条件，将剪切变量用结点挠度和转角表示，导出一个具有１２个自由度的厚板、薄板都通用的矩形弯曲单元。此单元的自由度少，精度高，能通过分片检验，不出现剪切闭锁现象，具有位移型单元简便实用的优点。