基于自适应网格的材料渗透系数设计

采用基于单元(结点)密度为设计变量进行结构和材料的拓扑优化设计时,有限元网格的密度对优化设计有很大影响. 在以渗透系数为目标进行材料微结构设计时,为了较好地描述单胞中的流固边界,需要将单胞划分为很小的网格,进一步增加了有限元计算和优化分析的规模. 为了降低计算规模, 研究了基于自适应网格的逆均匀化方法,以最大化各向同性等效渗透系数为目标,进行材料微结构设计. 优化迭代过程中,对单胞中流固界面处的网格进行自适应加密,降低优化问题的计算规模. 采用这一算法,对不同初始密度分布得到的单胞优化结果虽然不同,但具有相同的材料微结构,一定程度上说明了该方法的有效性.      

基于OPS和拓扑交换的离心泵网格质量提高算法

针对OPS算法本身固有的无法提高"全边界单元"质量的缺陷,提出了一种结合OPS和拓扑优化的网格质量提高算法。该方法通过判别"全边界单元"中边(或面)受到相邻单元共享的形式,采用不同的拓扑交换策略,且在拓扑交换过程中仅考虑网格的拓扑相关性,并不考虑网格的质量,保证将"全边界单元"转化为OPS算法提高其质量的其他类型边界单元。算例分析表明,本文算法相比Freitag的组合算法在消除极端二面角方面更具优势,相比OPS算法对提高离心泵边界网格及整体网格质量也具有较好的优势。     

h—层状自适应边界元方法的算法

给出了ｈ－层状自适应边界元方法的基本算法,并介绍了应用这一算法编写求平面弹性静力学问题的计算机程序Ｅｌｑｕａｈｈｂｅ。这处程序中包含一些新的内容：它的自适应细分过程通过一个新型的左指示因子加以驱动;整个细分过程的信息都压缩到两组“指针”数组中,对“指针”数组进行简单运算即可得到生成离散网格和装配系统矩阵所需的信息,因此较好地解决了数据管理中存储与导出的矛盾。数值算例证明这些方法是行之有效的。     

基于非结构化同位网格的SIMPLE算法

通过基于非结构化网格的有限体积法对二维稳态Navier—Stokes方程进行了数值求解。其中对流项采用延迟修正的二阶格式进行离散；扩散项的离散采用二阶中心差分格式；对于压力-速度耦合利用SIMPLE算法进行处理；计算节点的布置采用同位网格技术，界面流速通过动量插值确定。本文对方腔驱动流、倾斜腔驱动流和圆柱外部绕流问题进行了计算，讨论了非结构化同位网格有限体积法在实现SIMPLE算法时，迭代次数与欠松弛系数的关系、不同网格情况的收敛性、同结构化网格的对比以及流场尾迹结构。通过和以往结果比较可知，本文的方法是准确和可信的。     

基于高阶和高效格式的悬停旋翼可压缩无粘绕流的计算

发展了一种基于高精度和高效格式计算悬停旋翼复杂绕流的隐式有限体积方法。控制方程为Euler方程,其中对流项通量的左右状态量采用五阶加权基本无振荡(WENO)格式重构,时间推进应用隐式LU-SGS算法,为进一步加速收敛,采用三层V循环多重网格松弛方法。考虑到多重网格方法的思想以及五阶WENO格式涉及6个网格单元,建议仅在最细网格上使用WENO格式。计算结果表明本文方法能有效捕捉激波,对尾迹也有较高分辨率,基于隐式LU-SGS算法的多重网格方法能有效提高计算效率。     

基于同位网格下求解N-S方程的快速算法

在有限容积法基础上建立了基于同位网格的SIMPLEM算法。此算法使初始压力场与速度场耦合,让压力场和速度场同时更好地满足动量方程和连续性方程,且兼顾考虑扩散对流项对计算节点速度修正值的影响及源项与速度场之间的同步性,详细给出了算法的推导过程且对方腔顶盖驱动流进行了数值模拟。计算节点的布置采用同位网格技术,界面流速通过动量插值确定,在不同条件下讨论了迭代次数与残差的关系和不同算法的收敛性,同时验证了算法及程序是准确和可信的。     

积分背景网格对自适应EFG法拓扑优化的影响研究

采用应力能量范数作为误差指标,探讨了EFG法中积分背景网格对计算精度的影响,得到了合理划分背景网格的建议;建立了以节点密度为设计变量、以最小化柔度为优化日标的拓扑优化模型。采用以节点密度值为加点判据的自适应规则加点方案,开展了连续体结构的拓扑优化研究,该加点方案能有效地减少设计变量的个数,探讨了背景网格对拓扑优化结果的影响。算例结果表明,采用合适的背景网格不仅能进一步减少设计变量的个数,而且能够改善拓扑优化结果的光滑性,使计算效率和精度得到提高。     

基于固定网格和拓扑导数的结构拓扑优化自适应泡泡法

为继承传统拓扑优化泡泡法变量少、精度高等优点,并克服其网格重划频繁、孔洞合并操作繁琐等不足,提出了一种基于固定网格和拓扑导数的自适应泡泡方法.该方法的主要特点是:(1)采用有限胞元固定网格分析方法计算结构力学响应,在优化过程中无需网格更新和重划分,就能保证较高的分析精度;(2)根据拓扑导数信息指导结构区域中孔洞的引入,不仅消除了优化结果对孔洞初始布局的依赖性,还能有效控制设计变量的数量;(3)引入拓扑导数阈值和孔洞影响区域新概念,实现了孔洞引入频次和位置的自适应调节,保证了拓扑优化过程的数值计算稳定性;(4)采用光滑变形隐式曲线描述孔洞边界,不仅设计参数少、变形能力强,而且便于处理孔洞间的融合/分离操作以及与固定网格分析方法的有机结合.理论分析和数值算例表明,改进后的自适应泡泡法能够消除传统泡泡法因采用拉格朗日网格和参数化B样条曲线模型而存在的实施困难,采用很少的设计变量就可获得边界光滑清晰的优化结果.      

基于固定网格和拓扑导数的结构拓扑优化自适应泡泡法

为继承传统拓扑优化泡泡法变量少、精度高等优点,并克服其网格重划频繁、孔洞合并操作繁琐等不足,提出了一种基于固定网格和拓扑导数的自适应泡泡方法.该方法的主要特点是:(1)采用有限胞元固定网格分析方法计算结构力学响应,在优化过程中无需网格更新和重划分,就能保证较高的分析精度;(2)根据拓扑导数信息指导结构区域中孔洞的引入,不仅消除了优化结果对孔洞初始布局的依赖性,还能有效控制设计变量的数量;(3)引入拓扑导数阈值和孔洞影响区域新概念,实现了孔洞引入频次和位置的自适应调节,保证了拓扑优化过程的数值计算稳定性;(4)采用光滑变形隐式曲线描述孔洞边界,不仅设计参数少、变形能力强,而且便于处理孔洞间的融合/分离操作以及与固定网格分析方法的有机结合.理论分析和数值算例表明,改进后的自适应泡泡法能够消除传统泡泡法因采用拉格朗日网格和参数化B样条曲线模型而存在的实施困难,采用很少的设计变量就可获得边界光滑清晰的优化结果.     

福建海岸带地质环境背景与海水入侵的形成条件探讨

提出一种新的网格自适应方法：在需要加密的网格单元中心加入新结点,并对加密后的相邻 三角形网格单元进行公共边变换, 构成新的网格单元. 与传统的在网格边界中点加入新节点的自 适应方法相比,新方法可以更加灵活地控制网格密度,加密后的网格继承原先的网格质量不 发生畸变,并且算法编程简便,容易实现. 将自适应网格生成方法和基于特征线方程的分离 算法相结合,对空腔内不可压缩黏性流动进行了计算. 在特征线方向上进行时间步离散,动 量方程求解过程中采用非增量型分离算法. 计算中,把求解变量梯度值作为判定准则,在 变化剧烈的区域进行网格局部加密. 计算结果表明该组合算法有很好的计算精度,并有效减 少了计算时间和存储量.     

应力和位移约束下桁架拓扑优化的有无复合体方法

按照独立连续拓扑变量的思想,将有无复合体模型由构造应力约束问题发展为应力与位移约束问题,用于桁架结构拓扑优化．基于该文提出的位移约束与拓扑变量关系的近似显式,建立了具有应力、位移约束下桁架结构拓扑优化的有无复合体模型,用序列二次规划算法求解．数值结果令人满意．这一工作表明独立连续拓扑变量的提出对于结构拓扑优化的研究是有价值的。     

基于Voronoi cells的二维不规则自适应网格的生成及其应用

基于Voronoi cells的数据结构和算法，给出了一种二维不规则自适应网格的生成方法，用VisualC＋＋语言在微机上开发了Windows环境下网格自动生成的可视化软件。既可以得到Voronoi cells网格，也可得到相应的Delaunay triangles网格，网格生成的实例表明，本文方法所得到的网格非常适合于多尺度系统的流动问题的计算，具有较好的应用前景。     

平面膜结构拓扑优化的有无复合体方法

将作者对桁架在应力约束下结构拓扑优化的有无复合体模型发展到平面膜结构在应力、位移约束下结构拓扑优化的建模与求解。同时提出了该模型的有效解法,获得了令人满意的数值结果。本文工作表明独立连续拓扑变量的提出对于结构拓扑优化的研究是有意义的。     

包含两类变量的离散变量桁架结构拓扑优化设计

建立了包含截面和拓扑两类变量的离散变量结构拓扑优化设计的数学模型,该模型考虑了截面变量与拓扑变量间的耦合关系,反映了拓扑优化问题的组合优化本质,可以较好地解决"极限应力"、"最优解的奇异性"等困扰结构拓外优化设计的问题．同时采用相对差商法进行离散变量桁架结构拓扑优化,直接求解包含两类变量的离散变量结构拓扑优化设计数学模型,收到了比较满意的效果．     

The application of graph theory to the limit analysis for torsion of thin-walled bars with complex cross-sections

Graph theory is employed in this paper as a means to establish the topological model of complex thin-walled cross-sections. On this basis, the upper and lower bound theorems of the plastic limit analysis are applied to the analysis of the plastic limit shear flows on the cross-section of thin-walled bars under St. Venant torsion. Corresponding mathematical programming problems are formulated and their duality is shown. After solving the linear programming problem corresponding to the lower bound theorem, the limit torsional moment of a thin-walled cross-section can be calculated according to the shear stress distribution in the limit state. The formula for calculating the limit torsional moment is given. Furthermore, the limit state of thin-walled cross-sections under St. Venant torsion is also discussed and the concept of the limit tree is introduced. A computer program has been developed by the author. Results calculated by the program for typical complex cross-sections are given.     

Cell-vertex Based Parallel and Adaptive Explicit 3D Flow Solution on Unstructured Grids

A parallel adaptive Euler flow solution algorithm is developed for 3D applications on distributed memory computers. Significant contribution of this research is the development and implementation of a parallel grid adaptation scheme together with an explicit cell vertex-based finite volume 3D flow solver on unstructured tetrahedral grids. Parallel adaptation of grids is based on grid-regeneration philosophy by using an existing serial grid generation program. Then, a general partitioner repartitions the grid. An adaptive sensor value, which is a measure to refine or coarsen grids, is calculated considering the pressure gradients in all partitioned blocks of grids. The parallel performance of the present study was tested. Parallel computations were performed on Unix workstations and a Linux cluster using MPI communication library. The present results show that overall adaptation scheme developed in this study is applicable to any pair of a flow solver and grid generator with affordable cost. It is also proved that parallel adaptation is necessary for accurate and efficient flow solutions.     

Development of a computer program for the prediction of flow in a rotating cavity

A computer program has been developed to predict laminar source-sink flow in a rotating cylindrical cavity. Although the program is based on a standard finite difference technique for recirculating flow, it incorporates two novel features. Step changes in grid size are employed to obtain sufficient resolution in the boundary layers and special treatment is given to the solution of the pressure correction equations, in the ‘SIMPLE’ algorithm, in order to improve the convergence properties of the method. Results are presented both for the flow in an infinite rotating cylindrical annulus and a finite rotating cylindrical cavity, with the inner cylindrical surface acting as a uniform source and the outer cylinder as a sink. These show good agreement with existing analytical solutions and illustrate some of the problems associated with the computation of rapidly rotating flows.     

基于物理统一存储大规模数字导航地图道路网拓扑自动生成算法

道路网络的拓扑信息是GIS进行空间分析,如最优路径、地图匹配等算法的数据基础。目前,获取和建立道路网络的拓扑信息非常繁琐,不仅费时、费力,并且容易出错。采用逻辑分幅物理统一的存储策略,在探讨了拓扑生成的一般算法的前提下,提出了大规模超大规模数字地图自动生成道路网络拓扑关系的步骤和算法。该算法采用网格索引检索每个子图的元素,用hash索引映射实体ID和实体对象信息,并将整图的拓扑信息生成转化为对每个子图的拓扑求取,并对跨子图道路拓扑求解特别讨论。然后,对算法复杂度进行了分析,并且通过建立不同道路数的多个虚拟道路网络子图对算法性能进行了测试和比较。最后用本算法跟踪处理了南京市道路网络（部分）,并给出了结果。本算法在保留地理数据完整性的前提下,解决了常规方法的内存限制,并且具有准线性的运算代价,并能够自动恢复数据处理。     

板壳结构的应力约束拓扑优化设计

应用ICM 方法求解应力约束板壳结构拓扑优化问题,建立了寻求应力约束下结构重量极小化,每个设计变量控制多个单元的板壳结构拓扑优化近似显式的ICM 模型. 依据畸变能理论,将应力约束转化为畸变能约束,减少了约束数目. 采用精确对偶映射下的序列二次规划算法进行求解. 以MSC.Patran 及MSC.Nastran 软件作为二次开发平台,应用PCL 语言实现本文算法. 算例对于设计变量数等于单元数时的情况进行了计算,表明该方法有效可行.     

非正交同位网格下压力与速度耦合算法

发展了一种在非正交同位网格下以笛卡儿速度分量作为动量方程的独立变量、压力与速度耦合的S IM-PLER算法。该算法的特点是显式处理界面速度中的压力交叉导数项,得出压力与压力修正方程,使得压力及压力修正值与界面逆变速度直接耦合。通过对分汊通道内的流动问题进行验证计算,结果表明该算法可以有效而准确地模拟复杂区域内的流动与换热问题。