清华大学计算固体力学全套课件

TSINGHUAUNIVERSITY清华大学计算固体力学全套课件TSINGHUAUNIVERSITY计算固体力学第1章绪论TSINGHUAUNIVERSITY全面介绍非线性有限元的前沿性内容，使学习者能进入这一领域的前沿，应用非线性有限元方法求解弹塑性材料、几何大变形和接触碰撞这些非线性力学的主要问题，增强工程结构中非线性计算和虚拟仿真的能力，提高非线性有限元的教学和科研水平。计算固体力学课程体系TSINGHUAUNIVERSITY非线性有限元的内容：三场变分原理（弱形式）：速度，变形率，应力一种格式：Lagrangian格式（TL，UL，ALE）TL－完全的L格式UL－更新的L格式两种解法：隐式和显式求解器隐式－Newton-Raphson迭代显式－中心差分三种非线性：材料，几何，接触材料：弹塑性，超弹性，粘弹性几何：Jaumann率，弧长法，接触：Lagrange乘子，罚函数计算固体力学课程体系TSINGHUAUNIVERSITY1.绪论：非线性有限元的基本概念，发展历史，工程应用，标记方法，网格表述和偏微分方程的分类。（2）2.一维L有限元：TL和UL格式的控制方程。E有限元：E公式的控制方程，弱形式与强形式。（4）3.连续介质力学：变形和运动，应力－应变的度量，守恒方程，框架不变性。（4）4.L网格：UL有限元离散，编制程序，旋转公式。（4）5.材料本构模型：一维弹性，非线性弹性，如次弹性和超弹性。一维塑性，多轴塑性，超弹－塑性（橡胶和泡沫模型），粘弹性（蠕变和松弛等），经验本构模型，如J-C方程等。应变硬化和软化。（4）6.求解方法：应力更新算法，平衡解答和隐式时间积分（N-R求解等），显示时间积分（中心差分等），波的传播问题。（4）教学内容：计算固体力学课程体系TSINGHUAUNIVERSITY7.稳定性：稳定性和连续化，平滑性，数值稳定性，材料稳定性。屈曲和后屈曲，弧长法，模态分析。（4）8.ALE有限元：ALE连续介质力学，公式推导，率形式，弱形式，路径相关材料，网格更新方法，Petrov-Galerkin公式的动量方程，离散方程的线性化，整体ALE公式。（4）9.有限元单元性能：分片试验，完备性和再造条件，Hu-Washizu多场变分原理，多场弱形式。（4）10.单元稳定性：体积自锁，剪切自锁，减积分，不完全积分，沙漏模式。（4）11.梁、壳和连续体单元：理论分析，基于连续体（CB）的梁。（4）12.基于连续体（CB）的壳，连续体单元，膜单元的性能，假设应变单元，一点积分单元。（4）13.接触和冲击：接触界面方程（主从接触，从从接触，多点约束，约束方程），摩擦模型（罚函数，库仑等），接触弱形式，有限元离散。（4）计算固体力学课程体系TSINGHUAUNIVERSITY14.断裂力学的有限元计算：K场计算，J积分，T积分，动态裂纹扩展计算（能量平衡、节点力释放和XFEM）。（4）15.流固弱耦合算法。（2）16.材料本构计算－陈震。（4）计算固体力学课程体系程序训练：1.显式有限元程序－DYFRAC：大变形板壳结构分析计算2.隐式有限元程序－ABAQUS/Standard：开发UMAT或UEL接口程序，完成一个结构的完整计算分析过程成绩：1.期末考试：60％2.程序实践：20％3.课堂作业：20％TSINGHUAUNIVERSITY绪论1虚拟科学与工程2有限元的发展和相关著作3有限元软件的发展4非线性有限元的分类5非线性有限元的应用6网格和标记7偏微分方程分类TSINGHUAUNIVERSITY1虚拟科学与工程(Simulation-basedEngineeringandScience，SBES)TSINGHUAUNIVERSITY人类需要借助各种工具来增强、延伸和扩大自己认识世界的能力，虚拟科学与工程(VirtualScienceandEngineering)正是用高科技手段构造出一种人工环境，帮助工程师和科学家创造一个时域和空域可变的虚拟世界，使人们能够在这个虚拟世界中纵观古今，瞬扶四海，实现从必然王国到自由王国的认识过程。CAD/CAE/CAM，伴随着计算机硬件和软件的发展而发展，适应工业与科技的需求。在国家十一、五发展规划中，提出自主创新、集成创新、引进吸收再创新，发展CAE技术，是工业和科技提高创新能力的手段之一。1虚拟科学与工程TSINGHUAUNIVERSITY纵观古今，瞬扶四海：源于我国晋代的儒学家陆机（261－303）在他的《文赋》中谈及文学创作的思维活动时说，应“观古今于须臾，扶四海于一瞬”。1虚拟科学与工程实现从必然王国到自由王国的认识过程：源于毛泽东（1893－1976）的《实践论》。TSINGHUAUNIVERSITY•虚拟科学与工程是指对科学现象、工程／产品的功能、性能和运行行为实施计算机模拟的方法体系，尤其对：•难以或耗资昂贵的科学现象的物理实验，如受控热核反应、核聚变、环境污染等;•重大工程／复杂产品的功能、性能和极端行为的模拟仿真、科学本质的显现，如溃坝，车辆、船舶或飞机的碰撞等。1虚拟科学与工程TSINGHUAUNIVERSITY•虚拟科学与工程是迅速发展中的计算力学、计算数学、计算物理、计算材料科学以及相关的计算工程科学，与现代计算机科学和技术相结合，而形成的一种综合性、集成化、网络化与智能化的信息处理方法、技术和产品。•科学与工程计算＝》•科学与工程仿真＝》•虚拟科学与工程1虚拟科学与工程TSINGHUAUNIVERSITY力学的分支计算力学，发展了有限元、有限差分等理论和方法，为虚拟科学与工程仿真提供了工具。有限元分析是虚拟设计的基本组成部分。它提供了更快捷和低成本的方式评估设计的概念和细节，因此，人们越来越多地应用仿真的方法代替样品原型的试验(VirtualPrototyping)。1虚拟科学与工程TSINGHUAUNIVERSITY1997年9月，钱学森院士已经预见到了虚拟工程与科学在未来世纪的重要性，他在为清华大学工程力学系建系40周年的贺信中写道：“随着力学计算能力的提高，用力学理论解决设计问题成为主要途径，而试验手段成为次要的了。由此展望21世纪，力学加电子计算机将成为工程设计的主要手段，就连工程型号研制也只用电子计算机加形象显示。都是虚的，不是实的，所以称为“虚拟型号研制”（VirtualPrototyping）。最后就是实物生产了。”1虚拟科学与工程TSINGHUAUNIVERSITY1Simulation-basedEngineeringandScience-SBES2005年6月，美国总统信息技术咨询委员会的报告中指出“计算科学已成为科学领导地位、经济竞争力和国家安全的关键”，并发出“美国政府还没有充分认识到计算科学的潜力”的警告。2006年2月，美国国家科学基金会（NSF）发表报告“基于仿真的工程与科学”(Simulation-basedEngineeringandScience，SBES)，指出“SBES采用模拟和计算机仿真的原理和方法以获取和应用知识并造福人类，应成为工程与科学领域国家优先发展项目”。TSINGHUAUNIVERSITY1Simulation-basedEngineeringandScience-SBESThepromise:Advancesinmathematicalmodeling,incomputationalalgorithms,inthespeedofcomputers,andinthescienceandtechnologyofdataintensivecomputinghavebroughtthefieldofcomputersimulationtothethresholdofanewera,anerainwhichunprecedentedimprovementsinthehealth,security,productivity,andcompetitivenessofournationmaybepossible.Ahostofcriticaltechnologiesareonthehorizonthatcannotbeunderstood,developed,orutilizedwithoutsimulationmethods.--TheNSFBRPanelReportonSBES-J.T.Oden,2007TSINGHUAUNIVERSITY1Simulation-basedEngineeringandScience-SBESScience-CambridgeInternationalDictionaryofEnglish:Knowledgeobtainedfromthesystematicstudyofthestructureandbehaviorofthephysicaluniverse,involvingexperimentationandmeasurementandthedevelopmentofthetheoriestodescribetheresultsoftheseactivities.Knowledgeobtainedintwoways:Observationandtheory.TSINGHUAUNIVERSITY1Simulation-basedEngineeringandScience-SBESEngineering-istheapplicationofsciencetotheneedsofhumanity.Thisisaccomplishedthroughtheapplicationofscientificandmathematicalprinciples,andpracticalexperiencetothedesignofusefulobjectsorprocesses.EngineeringScience-isthesystematicacquisitionofknowledgeforthepurposeofapplyingittothesolutionofproblemseffectingtheneedsandwell-beingofhumankind.SBES-engineeringscienceandsciencethatemploystheprinciplesandmethodsofmodelingandcomputersimulationtoacquireandapplyknowledgeforthebenefitofhumankind.TSINGHUAUNIVERSITY2有限元的发展和相关著作TSINGHUAUNIVERSITY2有限元的发展和相关著作•涉及非线性有限元分析的著作包括:Zienkiewicz和Taylor(1967),(1991),(2000),庄茁、岑松译，有限元方法(第5版)－第2卷，固体力学，清华大学出版社，2006Oden(1972),是固体和结构非线性有限元分析的开拓Kleiber(1989),Crisfield(1991),ZhongZH(1993)。Belytschko和Hughes(1983)，Hughes（1987）Cook、Malkus和Plesha(1989)Bathe(1996),Bonet和Wood(1997),Simo和Hughes(1998)。2.1著作TSINGHUAUNIVERSITY徐芝纶，弹性力学问题的有限单元法，水利电力出版社，1972谢贻权，何福保编著，弹性和塑性力学中的有限单元法，机械工业出版社，1981徐次达，华伯浩，固体力学有限元理论、方法及程序，水利电力出版社，1983王勖成，邵敏，有限单元法基本原理和数值方法，清华大学出版社，1987，1995王勖成，有限单元法，清华大学出版社，2003郭乙木，陶伟明，庄茁，线性与非线性有限元及应用，机械工业出版社，2003NonlinearFiniteElementsforContinuaandStructures,T.Belytschko,W.K