非协调位移有限元的两种应力恢复方法研究

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非协调位移法具有位移结果精度高,公式简单,计算效率高,计算内存要求低的优势,当前已经成为实际问题中被应用最为广泛的有限元方法之一。位移法能够获得精度较高的节点位移,但由于求解应力时需要进行导数运算,所得的应力结果精度不如位移结果。位移法现有的应力恢复方法往往存在结果精度不高、计算过程复杂、不能充分考虑应力边界条件等缺点,有的只适用于某些特定问题。本文在总结了现有的应力恢复方法的基础上提出两种可选的应力恢复方法。单元中高斯点处的应力值具有较高精度。本文针对非协调4节点四边形单元和8节点六面体单元模型,提出了一种不同于外推法的应力恢复方法。对于内部节点可采用节点外围的高斯点构造新的等参元,然后直接向内插值计算包含在新单元内的节点的应力。求边界节点应力时,选取与待求边界节点共线的内部点,采用线性拉格朗日插值法计算应力。数值算例表明,该方法的应力结果满足收敛性要求,且精度相较于外推法具备一定的优势。鉴于目前的应力恢复方法不能有效地引入的应力边界条件,而混合有限元方法只能对模型全域进行整体求解,且计算时要求较大的内存资源,本文提出一种在局部模型中应用广义混合元的应力恢复方法。通过选取围绕待求应力节点的单元构建局部模型,在局部模型中利用非协调广义混合元模型引入应力边界条件,构建了局部模型中求解未知应力的有限元线性系统。对于复合材料结构问题,利用修正的广义混合变分原理先得到面外应力的求解方程,再按不同材料层分别选取局部模型,建立相应的面内应力线性系统,可得每层材料内连续的面内应力结果,同时保证了各材料层界面处面内应力的不连续性。数值算例验证了该方法可以得到客观且精度更高的应力结果。相较于混合有限元法,该方法极大地提升了计算效率。
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