结构振动分析中的无网格方法

无网格法采用移动最小二乘法构造位移函数，采用罚方法满足本征边界条件，对弹性体的振动问题进行了分析。首先，对权函数中的参数进行了讨论并优化，给出了参数最优值的确定方法；在此基础上对不同边界条件下梁和板的模态进行了分析；最后计算了受突加荷载作用的简支梁以及具有初位移的筒支方板的动力响应。计算结果表明该方法在动力问题的分析中有较高的精度。     

应力高梯度问题的无网格分析

基于移动最小二乘法的无网格计算，采用线性基函数即可得到C^1连续位移场，使得应力，应变场在整个求解域内保持连续；节点之间脱离了单元的约束，对求解域进行离散和加密节点时变得十分灵活，因此适合分析应力高梯度问题。本文简要介绍了无网格方法的基本原理，给出了确定节点影响域大小的方法，应用无网格方法对带有V型缺口的受拉方板J23-10曲柄压力机机身进行了受力分析，得到的应力集中部位的计算结果与实际值更为接近。     

半无限板边缘裂纹的权函数解法与评价

权函数法是求解裂纹体在任意受载条件下的应力强度因子和裂纹面位移等断裂力学参量的高效、高精度方法,与有限元等数值方法相比,在求解效率和可靠性方面均具有明显优势.针对半无限板边缘裂纹,系统分析了在国际断裂力学界较有代表性的Wu-Carlsson、Glinka-Shen和Fett-Munz三种解析形式的权函数法,进而以在远端均匀加载下的半无限板边缘裂纹面位移Wigglesworth解析解导得的权函数及其对应的格林函数解(即裂纹面受一对单位集中力作用下的应力强度因子)为基准,沿整个裂纹长度对3种权函数的精度逐点进行比较,并与文献中基于其他方法求得的权函数做了广泛对比,包括Bueckner,Hartranft-Sih以及Wigglesworth利用不同解析方法推导出的高精度的权函数.研究了3种参考载荷(均布/正反向线性分布应力、集中力)及其不同组合,以及裂纹嘴位移的几何条件对权函数精度的影响.结果表明,基于一种参考载荷下的裂纹面张开位移比基于两种参考载荷下的应力强度因子所得到的权函数具有更高的精度,而且后一种方法的精度明显受到所选参考载荷组合的影响;裂纹面位移在裂纹嘴处三阶导数等于零的条件对基于一个参考解的权函数精度的改进效果较小.最后给出了利用各种权函数方法计算得到的4种载荷条件下的应力强度因子,并对结果进行了比较.     

应用半权函数法计算界面裂纹的应力强度因子

应用半权函数法求解双材料界面裂纹的应力强度因子，得到以半权函数对参考位移与应力加权积分的形式表示的应力强度因子。针对特征值为复数λ的双材料界面裂纹裂尖应力和位移场，设置与之对应特征值为-λ的位移函数，即半权函数。半权函数的应力函数满足平衡方程，应力应变关系，界面的连续条件以及在裂纹面上面力为0；半权函数与裂纹体的几何尺寸无关，对边界条件没有要求。由功的互等定理得到应力强度因子KⅠ和KⅡ的积分形式表达式。本文计算了多种情况下界面裂纹应力强度因子的算例，与文献结果符合得很好。由于裂尖应力的振荡奇异性已经在积分中避免，只需考虑绕裂尖远场的任意路径上位移和应力，即使采用该路径上较粗糙的参考解也可以得到较精确的结果。     

混合变换法在无网格伽辽金方法中的应用

移动最小二乘近似的非插值特征给无网格伽辽金方法的应用带来了一定的的困难，本文将再生核质点法中的混合变换法与无网格伽辽金方法相结合，通过对移动最小二乘近似进行局部修正，实现了无网格伽辽金方法中本质边界条件的精确施加。对权函数、影响半径、积分阶等对计算精度的影响进行了有益的探讨。数值计算结果表明了方法的可行性。     

基于卷积神经网络的无网格形函数影响域优化研究

在无网格法中,离散节点之间的相互联系由节点形函数影响域的大小确定,因此形函数影响域的大小对无网格法的计算精度有着直接和重要的影响。但由于无网格形函数的形式较为复杂,目前形函数影响域大小的选择仍然缺乏系统的理论依据,通常在实际计算中仍凭借经验进行选取,难以保证计算精度。卷积神经网络是一类机器学习方法,其感受野与无网格形函数的影响域具有内在相似性,因此在形函数影响域选择方面有很好的适用性。基于该特性,本文通过引入卷积神经网络对无网格形函数的影响域进行了优化选择。首先,针对感受野和影响域的匹配关系,分析了卷积神经网络的结构设计和超参数选择,提出了一种无网格法内禀卷积神经网络结构的设计方法;然后依托该网络结构设计方法,建立了对无网格形函数影响域和数值解分别优化或同时优化的卷积神经网络。文中通过算例系统验证了所提无网格法内禀卷积神经网络对形函数影响域选择和计算结果的优化效应。     

复合材料条形域问题混合状态Hamiltonian元的半解析解

给出了复合材料条形域问题的混合状态Ｈａｍｉｌｔｏｎ正则方程及其有效的半解析法。该方法不同于通常的半解析法，需先给出满足规则几何形状和简单边界条件的解析函数，利用Ｈａｍｉｌｔｏｎ矩阵的正交性质，采用控制论中的理论与方法后给出复杂几何形状和边界条件的解析函数，这样沿板厚方向就不需引入任何有关位移和应力的人为假设，从而引入了复合材料计算中剪切效应的影响，且发挥了Ｈ型方程的传递矩阵法优点，保证了层间位移和应刀的连续，建立了条形梁上下表面相变量之间的关系式，然后利用打靶法进行求解。     

基于不连续场修正权的无网格断裂分析

本文采用了一种基于不连续场修正权函数的无网格方法来处理二维平面问题中的有限长裂纹。相较于目前常用的无网格裂纹不连续性处理方案，采用修正权函数处理裂纹附近不连续场时只需要对原权函数进行修正，算法简便易实现。本文采用基于不连续场修正权函数的无单元Galerkin方法（EFGM），对在边界上施加I-II混合型裂纹位移场的斜裂纹板进行了数值分析。并与可视性准则、衍射法和透射法等不连续准则对比了裂尖位移场、应力场和应力强度因子解的数值精度。另外，本文还对这四种不连续准则形函数的计算效率进行了分析和比较。     

空腔流激振荡发声的数值模拟研究

通过求解二维非定常雷诺平均Navier—Stokes方程，对亚音速情况下长宽比为L／D=2的空腔流动进行了计算气动声学数值模拟研究．湍流模型选取标准κ-ε模型，空间离散采用频散相关保持格式，时间积分采用低耗散低频散龙格库塔法，进出口远场边界采用以摄动解为基础的无反射边界条件，计算结果首先与Krishnamurty实验观测的密度场纹影图进行了对比，不论是在腔内流场分布还是腔外辐射指向性上，都与实验结果符合较好；然后与Rossiter公式进行了频率对比，其结果不但较为准确地捕捉到了振荡低阶模态的频率，而且也捕捉到了振荡高阶模态的频率特性，在此基础上研究了边界层厚度对振荡性质的影响，研究表明边界层厚度对振荡幅值影响较大，而且使振荡频率发生小幅偏移，最后探讨了振荡的发声机理，分析了振荡发声及声反馈的过程，发现了空腔前缘的二次发声现象。     

基于修正高精度广义胞元法的复合材料细观力学分析

高精度广义胞元法是多尺度分析复合材料模量和微观应力应变场的有效方法之一．然而，由于位移插值函数中缺少二次耦合项，很大程度上影响了复合材料局部应力、应变场，特别是剪切场的计算精度．本文通过引入二次方向耦合项，提出了一种修正的高精度广义胞元法插值函数．在施加周期性边界条件、平均应力和平均位移连续性条件后，可以确定位移插值函数中的系数．通过对多相复合材料弹性模量和局部场分析，并且与有限元分析和实验测量结果比较，验证了修正高精度广义胞元法的准确性．与高精度广义胞元相比，本文提出的修正高精度广义胞元法在不需要引入额外未知变量，不影响计算效率的前提下，对复合材料的局部应力场计算得更加准确．     

Penalty functions in constrained variational principles for element free Galerkin method

An improved formulation of the Element Free Galerkin (EFG) method is presented in this paper. In the Element Free Galerkin method, enforcement of essential boundary conditions is awkward as the approximations do not satisfy the Kronecker delta condition. A method of generating admissible approximations to the essential boundary conditions is given, using a constrained variational principle with a penalty function. Several examples of Laplace equation are solved and compared with analytical solutions and flux Lagrange multipliers, to demonstrate the performance of the method. A parametric study comparing three different weight functions is made. A guide on the EFG/penalisation method is given, considering the possibility of using irregular grids with a variable domain of influence for each point.     

两点边值问题的小波配点法

根据多分辨分析,提出用任意连续的尺度函数构造区间上的插值基函数,形成以尺度函数为基础的求解两点边值问题的小波配点法.该方法中,尺度函数不受紧支撑、插值等性质的限制,计算复杂度小,数值解收敛性由多分辨分析理论保证.同时,给出边值条件的积分处理方法,能够方便地处理任意边界条件,当尺度函数不具有高阶导数时,该方法也能有效使用.数值算例表明,该方法是一个高效、高精度的算法.     

The dimension split element-free Galerkin method for three-dimensional potential problems

This paper presents the dimension split element-free Galerkin (DSEFG) method for three-dimensional potential problems, and the corresponding formulae are obtained. The main idea of the DSEFG method is that a three-dimensional potential problem can be transformed into a series of two-dimensional problems. For these two-dimensional problems, the improved moving least-squares (IMLS) approximation is applied to construct the shape function, which uses an orthogonal function system with a weight function as the basis functions. The Galerkin weak form is applied to obtain a discretized system equation, and the penalty method is employed to impose the essential boundary condition. The finite difference method is selected in the splitting direction. For the purposes of demonstration, some selected numerical examples are solved using the DSEFG method. The convergence study and error analysis of the DSEFG method are presented. The numerical examples show that the DSEFG method has greater computational precision and computational efficiency than the IEFG method.     

Thermal solution of cylindrical composite systems using meshless method

This paper presents the thermal solution of cylindrical composite systems using meshless element free Galerkin (EFG) method. The EFG method utilizes the moving least square approximants, which are constructed by using a weight function, a basis function and a set of non-constant coefficients to approximate the unknown function of temperature. Dirichlet (essential) boundary conditions have been enforced using Lagrange multiplier and penalty methods. Existing rational weight function has been modified and used in the present analysis. MATLAB codes have been developed to obtain the numerical solution. The EFG results have been obtained using cubicspline, quarticspline, Gaussian, quadratic, hyperbolic, exponential, rational and cosine weight functions for a model problem. The results obtained using different EFG weight functions are also compared with those obtained by finite element method. The effect of scaling and penalty parameters has also been studied in detail.     

几何精确NURBS有限元中边界条件施加方式对精度影响的三维计算分析

非均匀有理B样条(NURBS)有限元法把计算机辅助几何设计(CAGD)中的NURBS几何构形方法与有限元方法有机结合起来,有效消除了有限元离散模型的几何误差,提高了计算精度。但是由于NURBS基函数不是插值函数,直接在控制节点上施加位移边界条件会引起较大误差。本文详细讨论了NURBS基函数的插值特性,在NURBS有限元分析中采用罚函数法施加位移边界条件,提高了收敛率和计算精度。结合典型三维弹性力学问题,对两种施加位移边界条件的方法进行了对比和分析。计算结果表明,直接施加位移边界条件会导致收敛率和精度的明显降低,而基于罚函数法的NURBS有限元分析则能达到最优收敛率,并具有更高的精度。     

基于点插值的配点型无网格法解Helmholtz问题

基于点插值法的思想,用三角函数作为基函数在局部支持域内构造具有Kroneckerδ函数性、单位分解性、高阶连续性、再生性和紧支性的形函数.用配点法离散微分方程,得到了具有稀疏带状性的系数矩阵,用GMERS方法求解代数方程组,分别研究了Helmholtz问题的边界层问题和波传播问题.通过数值算例可以发现,给出的数值结果非常接近于精确解,且随着节点的增加,其精确度越来越高,具有良好的收敛性.     

基于赫林格?赖斯纳变分原理的一致高效无网格本质边界条件施加方法

无网格法具有高阶连续光滑的形函数, 在结构分析中呈现出显著的精度优势. 但无网格形函数在节点处一般没有插值性, 导致伽辽金无网格法难以直接施加本质边界条件. 采用变分一致尼兹法施加边界条件的数值解具有良好的收敛性和稳定性, 因而得到了非常广泛的应用, 然而该方法仍然需要引入人工参数来保证算法的稳定性. 本文以赫林格?赖斯纳变分原理为基础, 建立了一种变分一致的本质边界条件施加方法. 该方法采用混合离散近似赫林格?赖斯纳变分原理弱形式中的位移和应力, 其中位移采用传统无网格形函数进行离散, 而应力则在背景积分单元中近似为相应阶次的多项式. 此时的无网格离散方程可视为一种新型的尼兹法施加本质边界条件, 其中修正变分项采用再生光滑梯度和无网格形函数进行混合离散, 稳定项则内嵌于赫林格?赖斯纳变分原理弱形式中, 无需额外增加稳定项, 消除了对人工参数的依赖性. 该方法无需计算复杂耗时的形函数导数, 并满足积分约束条件, 保证了数值求解的精度. 数值结果表明, 所提方法能够保证伽辽金无网格法的计算精度最优误差收敛率, 与传统的尼兹法相比明显提高了计算效率.      

Analyzing the 2D fracture problems via the enriched boundary element-free method

In this paper, the enriched boundary element-free method for two-dimensional fracture problems is presented. An improved moving least-squares (IMLS) approximation, in which the orthogonal function system with a weight function is used as the basis function, is used to obtain the shape functions. The IMLS approximation has greater computational efficiency and precision than the existing moving least-squares (MLS) approximation, and does not lead to an ill-conditioned system of equations. Combining the boundary integral equation (BIE) method and the IMLS approximation, a boundary element-free method (BEFM), for two-dimensional fracture problems is obtained. For two-dimensional fracture problems, the enriched basis function is used at the tip of the crack, and then the enriched BEFM is presented. In comparison with other existing meshless boundary integral equation methods, the BEFM is a direct numerical method in which the basic unknown quantity is the real solution of the nodal variables, and the boundary conditions can be implemented easily, which leads to a greater computational precision. When the enriched BEFM is used, the singularity of the stresses at the tip of the crack can be shown better than that in the BEFM. For the purposes of demonstration, some selected numerical examples are solved using the enriched BEFM.     

弹性力学的一种边界无单元法

首先对移动最小二乘副近法进行了研究，针对其容易形成病态方程的缺点，提出了以带权的正交函数作为基函数的方法－改进的移动最小二乘副近法，改进的移动最小二乘逼近法比原方法计算量小，精度高，且不会形成病态方程组，然后，将弹性力学的边界积分方程方法与改进的移动最小二乘逼近法结合，提出了弹性力学的一种边界无单元法，这种边界无单元法法是边界积分方程的无网格方法，与原有的边界积分方程的无网格方法相比，该方法直接采用节点变量的真实解为基本未知量，是边界积分方程无网格方法的直接解法，更容易引入界条件，且具有更高的精度，最后给出了弹性力学的边界无单元法的数值算例，并与原有的边界积分方程的无网格方法进行了较为详细的比较和讨论。