无网格稳定配点法及其在弹性力学中的应用

伽辽金型无网格法具有精度高、稳定性好的优点,但是实现高阶准确积分过程复杂,计算效率低.配点型无网格法的计算效率高,但是其在求解复杂问题时往往会出现精度和稳定性较差的结果.本文介绍一种新的无网格法-无网格稳定配点法,采用重构核近似作为近似函数,在规则子域内非常容易实现高阶准确积分,既保留了配点型无网格法效率高的特点,又具备伽辽金型无网格法精度高和稳定性好的特点,而且还兼具有限体积法满足局域离散方程守恒的特点.通过弹性力学算例验证了该算法的优越性,未来可将其进一步应用于流体和流固耦合问题分析.     

配点型无网格法理论和研究进展

有限元法是当前工程科学领域应用最广泛的数值计算方法之一,但是其在求解极端大变形、高速碰撞等一些复杂问题时,容易出现网格畸变和网格敏感性,从而导致计算结果精度低和不收敛的问题．为了避免网格带来的问题,出现并兴起了各种无网格法．无网格法不仅建模简便,而且收敛速度更快、计算精度更高,可用于求解有限元等网格类方法难以求解乃至尚未触及的问题．本文首先阐述了无网格法的分类以及具有代表性的方法．目前限制无网格法发展的主要问题是效率偏低．伽辽金型无网格法效率较低,而配点型无网格法效率较高,在复杂问题的高效高精度数值模拟中具有更大潜力．因此本文详细介绍了配点型无网格法的起源和研究进展,归纳了其常用的近似函数和离散方法,最后对无网格法的发展做出了总结和展望．无网格法的研究和改进,为复杂问题的高效高精度数值模拟开辟了新的途径．     

基于Kriging插值无网格法求解轴对称弹性力学问题

基于Kriging插值无网格法,提出了实际应用中复杂轴对称弹性力学问题求解的一条新途径.Kriging插值无网格法是一种新型的无网格法,该方法构造的形函数满足Kronecker delta函数性质,可以直接施加本质边界条件.采用Kriging插值无网格法分析轴对称问题,得到了轴对称问题的无网格离散方程,并编制了相应的计算程序.通过厚壁圆筒的静力学和动力学分析,对所提方法进行了检验.数值算例结果表明,提出的方法对求解轴对称弹性力学问题是行之有效的.     

中厚板弯曲分析的无网格弱-强式法(MWS)

基于局部弱式和强式配点相结合的无网格弱-强式法(meshfree weak-strong method,MWS)求解中厚板问题.MWS法对问题域使用整体离散节点表征和强形式配点法进行计算,在自然边界条件上或靠近自然边界条件的区域采用局部弱形式Petrov-Cralerkin法计算,用移动最小二乘法或径向点插值法来构造形函数,是一种理想的真正无网格法.采取MWS法,文中计算了中厚板的弯曲问题和能量误差.算例结果和对比分析表明,无网格弱-强式法(MWS)可以自然协调处理两类边界条件,计算效率高、数值结果稳定;对计算域采用规则节点布置,其解与弹性力学理论解以及有限元解都吻合很好.     

基于核重构思想的最小二乘配点型无网格方法

介绍重构核点法的基本原理和近似函数的构造方法，并基于核重构思想，应用配点法和最小二乘原理，离散微分方程，建立求解的代数方程，提出了一种基于核重构思想的最小二乘配点型无网格方法．与一般配点法相比，该方法的系数矩阵是有对称正定的，计算精度高，稳定性好．该方法的实施不需要背景网格，不需要进行高斯积分，与Galerkin法相比，具有计算量小、边界条件处理简单的特点，是一种真正的无网格法．对该方法构造过程中的近似函数及其导数的计算、修正函数的计算及方法的实现等问题进行了探讨．文中结合若干典型算例，检验了该方法的有效性．     

电磁弹性固体三维问题的虚边界元-等额配点法

依据弹性力学虚边界元法的基本思想和电磁弹性固体的基本解,提出了电磁弹性固体三维问题的虚边界元-等额配点法.该方法继承传统边界元法优点的同时,有效地避免了传统边界元法的边界积分奇异性的问题.算例表明该方法有很高的精度,是求解电磁弹性固体三维问题的一个有效的数值方法.     

基于拉格朗日插值的无网格直接配点法和稳定配点法

由于无网格法中大多数近似函数均为有理式,不具有Kronecker delta性质,因此难以精确地施加本质边界条件.边界误差较大容易导致整个求解域求解结果精度低,甚至引起数值不稳定现象.文章在无网格直接配点法和稳定配点法中引入拉格朗日插值函数作为形函数,构建了拉格朗日插值配点法(LICM)和拉格朗日插值稳定配点法(SLICM).由于拉格朗日插值具有Kronecker delta性质,可以像有限元法一样简单而精确地施加本质边界条件,提高这两种方法的数值求解精度.稳定配点法基于子域对强形式方程进行积分,可以满足高阶积分约束,即可以保证形函数在积分形式下也满足高阶一致性条件,实现精确积分.同时,进行子域积分还可以减少离散矩阵的条件数,从而提高算法的稳定性.进一步提高拉格朗日插值稳定配点法的精度和稳定性.通过数值算例验证这两种方法的精度、收敛性和稳定性,结果表明基于拉格朗日插值的配点法的精度优于基于重构核近似的配点法,拉格朗日插值稳定配点法的精度和稳定性均优于拉格朗日插值配点法.     

平面弹性问题的位移-应力混合重心插值配点法

提出数值分析平面弹性问题的位移-应力混合重心插值配点法。将弹性力学控制方程表达为位移和应力的耦合偏微分方程组,采用重心插值近似未知量,利用重心插值微分矩阵得到平面问题控制方程的矩阵形式离散表达式。使用重心插值离散位移和应力边界条件,采用附加法施加边界条件,得到求解平面弹性问题的过约束线性代数方程组,应用最小二乘法求解过约束方程组,得到平面弹性问题位移和应力数值解。数值算例结果表明,重心Lagrange插值方法的计算精度可达到10~(-10)量级。位移-应力混合重心插值配点法的计算公式简单、程序实施方便,是一种高精度的无网格数值分析方法。     

不可压缩平面问题的位移-压力混合重心插值配点法

引入人工压力变量,将弹性本构方程以应力、应变和压力表达,建立求解不可压缩平面弹性问题的位移-压力方程和不可压缩条件方程的耦合偏微分方程组。利用张量积型重心Lagrange插值近似二元函数,得到计算插值节点处偏导数的偏微分矩阵。采用配点法离散不可压缩弹性控制方程,利用偏微分矩阵直接离散弹性力学控制方程为矩阵形式方程组。利用插值公式离散位移和应力边界条件,将离散边界条件与离散控制方程组合为新的方程组,得到求解弹性问题的过约束线性代数方程组;利用最小二乘法求解线性方程组,得到弹性力学问题位移数值解。数值算例验证了所提方法的数值计算精度为10-14~10-10。     

弹性静力问题的无网格弱-强形式结合法

基于改进的移动最小二乘(MLS)二阶导数近似,建立了一种求解弹性静力问题的无网格弱-强形式结合法(MLS-MWS)。该方法采用节点离散求解域,通过MLS构造形函数,将求解域划分为边界域和内部域,并分别使用控制方程的局部弱形式和强形式来建立离散系统方程。对强形式中涉及的近似函数二阶导数计算,提出了一种将其转化为求两次一阶导数的方法,与传统方法相比,该方法计算简单、精度高。MLS-MWS法结合了弱、强形式无网格法的优点,Neumann边界条件容易满足,并且只需在边界区域进行积分。文中应用该方法分析了两个弹性力学平面问题,分析结果表明本文方法具有良好的精度和收敛性。     

奇异边界法模拟二维弹性力学问题

奇异边界法是一种新的边界型无网格数值离散方法。该方法使用基本解作为插值基函数,在继承传统边界型方法优点的同时,不需要费时费力的网格划分和奇异积分,数学简单,编程容易,是一个真正的无网格方法。为避免配置点与插值源点重合时带来的基本解源点奇异性,该方法提出了源点强度因子的概念,从而将边界型强格式方法的核心归结为求解源点强度因子。本文首次将该方法应用于求解平面弹性力学问题。数值算例表明,本文算法稳定,效率高,并可达到很高的计算精度。     

MESHLESS ANALYSIS FOR THREE-DIMENSIONAL ELASTICITY WITH SINGULAR HYBRID BOUNDARY NODE METHOD

The singular hybrid boundary node method (SHBNM) is proposed for solving three-dimensional problems in linear elasticity. The SHBNM represents a coupling between the hybrid displacement variational formulations and moving least squares (MLS) approximation. The main idea is to reduce the dimensionality of the former and keep the meshless advantage of the later. The rigid movement method was employed to solve the hyper-singular integrations. The 'boundary layer effect', which is the main drawback of the original Hybrid BNM, was overcome by an adaptive integration scheme. The source points of the fundamental solution were arranged directly on the boundary. Thus the uncertain scale factor taken in the regular hybrid boundary node method (RHBNM) can be avoided. Numerical examples for some 3D elastic problems were given to show the characteristics. The computation results obtained by the present method are in excellent agreement with the analytical solution. The parameters that influence the performance of this method were studied through the numerical examples.     

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。     

无网格局部强弱法求解不规则域问题

无网格局部彼得洛夫-伽辽金(meshless local Petrov-Galerkin,MLPG)法是一种具有代表性的无网格方法,在计算力学领域得到广泛应用.然而,这种方法在边界上需执行积分运算,通常很难处理不规则求解域问题.为了克服MLPG法的这种局限性,提出了无网格局部强弱(meshless local strong-weak,MLSW)法.MLSW法采用MLPG法离散内部求解域,采用无网格介点(meshless intervention-point,MIP)法施加自然边界条件,并采用配点法施加本质边界条件,避免执行边界积分运算,可适用于求解各类复杂的不规则域问题.从理论上讲,这种结合式方法,既保持了MLPG法稳定而精确计算的优势,同时兼备配点型方法在处理复杂结构问题时简洁而灵活的优势,实现了弱式法和强式法的优势互补.此外,MLSW法采用移动最小二乘核(moving least squares core,MLSc)近似法来构造形函数,是对传统移动最小二乘(moving least squares,MLS)近似法的一种改进.MLSc使用核基函数代替通常的基函数,有利于数值求解的精确性和稳定性,而且其导数近似计算变得更为简单.数值算例结果初步表明:这种新方法实施简单,求解稳定、精确,表现出适合工程运用的潜力.     

自由单元法及其在结构分析中的应用

通过吸收有限元与无网格法的优点,提出了一种新的数值方法------自由单元法.此方法在离散方面,采用有限元法中的等参单元,表征几何形状和进行物理量的插值;在算法方面,采用单元配点技术,逐点产生系统方程.主要特点是,在每个配置点只需要一个和周围自由选择的节点而形成的一个独立的等参单元,因而不需要考虑物理量在单元之间的相互连接关系与导数连续性问题. 本文介绍强形式与弱形式两种自由单元法,前者直接由控制方程和边界条件直接产生系统方程,后者通过在自由单元上建立控制方程的加权余量式产生弱形式积分式,并通过像传统有限元法中的积分过程建立系统方程组.本文提出的方法是一种单元配点法,对于域内点为了获得较高的导数精度,需要采用至少具有一个内部点的等参单元,为此除了可使用各阶次的拉格朗日四边形单元外, 还 给出了七节点三角形等参单元,用于模拟较为复杂的几何形状问题.      

An immersed boundary vector potential-vorticity meshless solver of the incompressible Navier–Stokes equation

We present a strong form meshless solver for numerical solution of the nonstationary, incompressible, viscous Navier–Stokes equations in two (2D) and three dimensions (3D). We solve the flow equations in their stream function-vorticity (in 2D) and vector potential-vorticity (in 3D) formulation, by extending to 3D flows the boundary condition-enforced immersed boundary method, originally introduced in the literature for 2D problems. We use a Cartesian grid, uniform or locally refined, to discretize the spatial domain. We apply an explicit time integration scheme to update the transient vorticity equations, and we solve the Poisson type equation for the stream function or vector potential field using the meshless point collocation method. Spatial derivatives of the unknown field functions are computed using the discretization-corrected particle strength exchange method. We verify the accuracy of the proposed numerical scheme through commonly used benchmark and example problems. Excellent agreement with the data from the literature was achieved. The proposed method was shown to be very efficient, having relatively large critical time steps.     

FAST MULTIPOLE SINGULAR BOUNDARY METHOD FOR LARGE-SCALE PLANE ELASTICITY PROBLEMS

The singular boundary method(SBM) is a recent meshless boundary collocation method that remedies the perplexing drawback of fictitious boundary in the method of fundamental solutions(MFS). The basic idea is to use the origin intensity factor to eliminate singularity of the fundamental solution at source. The method has so far been applied successfully to the potential and elasticity problems. However, the SBM solution for large-scale problems has been hindered by the operation count of O(N~3) with direct solvers or O(N~2) with iterative solvers, as well as the memory requirement of O(N~2). In this study, the first attempt was made to combine the fast multipole method(FMM) and the SBM to significantly reduce CPU time and memory requirement by one degree of magnitude, namely, O(N). Based on the complex variable representation of fundamental solutions, the FMM-SBM formulations for both displacement and traction were presented. Numerical examples with up to hundreds of thousands of unknowns have successfully been tested on a desktop computer. These results clearly illustrated that the proposed FMM-SBM was very efficient and promising in solving large-scale plane elasticity problems.     

A numerical approach based on the meshless collocation method in elastodynamics

In this paper, a collocation technique with the modified equilibrium on line method （ELM） for imposition of Neumann （natural） boundary conditions is presented for solving the two-dimensional problems of linear elastic body vibrations. In the modified ELM, equilibrium over the lines on the natural boundary is satisfied as Neumann boundary condition equations. In other words, the natural boundary conditions are satisfied naturally by using the weak formulation. The performance of the modified version of the ELM is studied for collocation methods based on two different ways to construct meshless shape functions： moving least squares approximation and radial basis point interpolation. Numerical examples of two-dimensional free and forced vibration analyses show that by using the modified ELM, more stable and accurate results would be obtained in comparison with the direct collocation method.