余能原理基面力元法的计算性能分析

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论文针对高玉臣院士提出的新型有限元法-基面力元法的计算性能进行研究。运用4节点基面力元及其MATLAB软件求解线弹性问题、几何非线性问题,通过与ABAQUS有限元软件中线性完全积分单元(Q4)和线性减缩积分单元(Q4R)的计算结果进行对比,分析并讨论余能原理基面力元的计算性能。主要研究工作如下:   (1)介绍了线弹性平面四节点余能原理有限元模型和几何非线性平面四节点余能原理有限元模型。给出了平面问题中的单元柔度矩阵具体表达式、有限元控制方程和节点位移表达式。   (2)结合弹性理论的典型算例,运用四节点基面力元及其MATLAB软件求解,分析网格畸变、单元长宽比对本文方法计算的影响。通过与大型通用有限元计算分析软件ABAQUS中的Q4单元和Q4R单元的计算结果进行对比,分析并讨论四节点基面力元在解决线弹性问题时的计算性能。   (3)结合平面弹性大变形问题的典型算例,运用四节点基面力元及其MATLAB软件求解,探讨几何非线性平面四节点余能原理有限元模型在分析大变形问题时的适应性。通过与大型通用有限元计算分析软件ABAQUS中的Q4单元和Q4R单元计算结果进行对比,分析并讨论四节点基面力元在计算几何非线性问题时的性能。   通过本文的研究,论证了高玉臣提出的单元柔度矩阵表达式的可行性和弹性大变形余能原理的正确性。研究结果表明:应用本文方法计算所得结果与理论解相吻合,具有较高的计算精度和较好的计算性能。本文给出的基于余能原理的基面力有限元方法简单有效,是有限元方法的一种新思路,具有较好的应用前景。  
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