计算固体力学中的重要研究领域.ppt

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1、计算固体力学中的重要研究领域,元计算专家指出：长期以来，力学的发展以实验与理论分析为支柱。宏观力学的经典理论体系早已建立，然而其方程的分析求解却远未解决。力学的数值分析计算在过去成了通向工程应用的一道瓶颈。当今计算机的功能发展很快，从根本上改善了固体力学的计算能力，材料的本构与破坏也有了更为深刻的描述，多层次计算技术、并行计算技术和智能性计算环境已经成为可能，计算固体力学已成为带动固体力学发展的分支学科。,计算固体力学中的重要研究领域有：计算固体力学的数值方法.算法是计算固体力学研究的重点，将不断地提出新的高效算法，在未来10年内的发展趋势为:（a）非线性问题将是算法研究的集中点。（b）并行算

2、法和技术将有很大发展。（c）计算力学软件向更大规模、更完善化发展，着力改善人机界面，采用图形化，可视化的前后处理，采用多媒体手段等。,在这一研究趋势下，计算固体力学算法研究的若干重要问题可列举如下:（a）计算细观力学.为深入研究材料的本构和破坏行为，提出了多种细观的离散模型，例如分子动力学模拟、缺陷和裂纹的损伤演化模拟等。（b）解析法与数值法的结合.采用数值法并不排斥解析法，巧妙地采用解析法可能带来有价值的结果。边界元法就是这种结合的产物。对于旋转体或多种对称的结构可用群论方法求解。这类有效算法应当集成到通用有限元程序中。（c）哈密顿体系。弹性力学基本体系的解析求解方法历来在一类变量的范围之内

3、进行的，或者是力法，或者是位移法。从数学体系来看，一类变量属拉格朗日体系的方法，长期以来多采用半逆解法求解。然而，如果将方程导向哈密顿体系，则完全可以用直接法找出这些解答。对于结构动力学，有陀螺项的系统。波的传播问题等，可以将方程导向哈密顿体系，用辛数学方法求解。（d）并行算法.为适应计算大型问题的需要，并行计算在国际上的呼声日高。在发展我国新一代并行计算机技术装备的同时，研究重点应放在针对典型问题研究和设计快速有效的并行算法及与之配套的专用的并行计算机。,计算力学软件.国产软件问题应特别予以强调。计算决不是仅仅为验证理论而服务，而是要提供应用于工程的手段。重要工程都是综合性的，因此必然要求大

4、规模的计算固体力学程序系统、集成系统。我国必须发展自己的大规模结构分析程序系统。计算模型的妥当选择是计算力学软件成功的关键问题。一个优秀的计算力学软件中一定要涵盖足够丰富的计算模型。要开展计算力学专家与特定工程领域或结构力学专家的合作，建立可以部分代替人类专家的有限元模型化咨询系统，延伸现有的前、后处理器使它智能化。CAD、CAM、CAE及CAI，是计算力学程序系统与工程及计算机科学的交叉点上生长出来的。它紧密地连接计算力学程序系统，并且在工程中显示出强大生命力，必须予以足够的重视。计算软件的研究还应当包括理论公式的机器推导与机器证明，以及计算结果的可视化技术等。,非线性计算.系统优化、结构优

5、化、参数识别、结构控制、动力控制以至人工智能、专家系统的提出与发展，提出了一类新的非线性计算问题。问题的非线性性质体现在设计参数、控制参数及其历史进程方面。小参数展开的近似方法、牛顿法、修正牛顿法、规划论等多种方法，给这一大类非线性力学问题的求解提供了有力手段。求解各类大变形固体力学问题是当今数值计算的一个重要发展方向，它们涉及到材料粘塑性、流变、热传导与相变等效应，需要发展相应的有效算法。,计算结构力学.计算结构力学以计算机为手段研究结构力学中的结构分析和结构综合问题。结构分析指在一定外界因素作用下分析结构的响应，包括应力、变形、频率、极限承载能力等。结构综合指在一定约束条件下，综合各种因素

6、进行结构优化设计，例如寻求最经济、最轻或刚度最大的设计方案。结构动力学问题（如抗震动力分析与控制）是不能松懈的课题。时程积分是结构动力学的基本问题。对于结构在冲击荷载、突加荷载、控制力、热冲击、传质传热等过程中的响应都要进行时程积分的计算。当前熟知的Newmark法、Wilson-法、中央差分法等差分类的算法，易于带入误差，应发展高精细程度的积分类算法。结构在冲击作用下的大变形与破坏，其中包括高应变率下的响应，以及在动力荷载作用下发生的稳定性分岔均需要发展数值方法及软件。对于周期性载荷作用下的结构，频率较高的振动在很大程度上形成波的传播与散射。微小的不均匀可以引起局部化振动，造成严重后果。该问

7、题与哈密顿体系相衔接，有许多理论与计算方面的问题需要深入探讨。此外，流固耦合的振动及响应计算也是具有多方面工程应用前景的课题。结构的主动控制是大型结构抗风、抗震的发展趋势。应当认真研究数据采集，参数识别，控制反作用（actuate）的全套过程，用算法与程序系统贯通起来。应用中不可避免地要处理不确定的因素，例如制造误差与环境因素等。随机振动在工程中有广泛的应用，目前对于平衡或非平稳，多点同相位或异相位激励的快速计算方面都已取得突破性进展。应当大力提倡这方面的应用研究。,结构优化.结构优化是应用中的重大课题。近年来已从结构尺寸优化发展到结构形状和拓扑的优化。与优化相关联的反问题是许多应用课题中的基础，应大力予以研究。在优化与反问题中，可应用序列线性规划与序列二次规划法。结构优化分析反过来对于力学基础理论也作出了重要推动。在板的优化研究深入之际，已发现传统的连续体并不是最优的，真实的优化解应当是由无限密肋组成的板结构形式。这个结构影响深远，由此启发出微结构材料设计这一尖端领域。一般的结构优化问题中未知量是连续变化的，而拓扑优化则是离散的，而且改变着区域的拓扑性质，所以拓扑优化的非线性性质更高出一个层次;至于设计方案、总体布局等问题，甚至都无法找到恰当的数学模型来进行表达，这一类非线性只能用人工智能、专家系统的手段来处理。,Thank you,