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。     

瞬态热传导问题的无网格法快速求解算法研究

为了提高基于Galerkin弱积分形式的无网格方法求解瞬态热传导问题的计算效率,提出了两种方案:第一种方案在空间离散上采用基于任意凸多边形节点影响域的无网格形函数,并通过选取适当的节点影响半径因子,使背景网格内的积分点仅对该背景网格内的无网格节点有贡献,从而避免了节点搜索问题,减少了系统刚度矩阵的带宽,且当节点影响半径因子为1.01时,无网格方法的形函数近似具有插值特性;第二种方案在求解线性方程组时,引入质量矩阵集中技术,从而避免了系统方程组的求解.二维矩形区域、二维圆形区域的瞬态热传导数值算例结果表明:在保证计算精度的同时,采用任意多边形节点影响域的无网格方法比传统无网格方法的计算时间至少节省44.09%,采用质量矩阵集中技术的无网格方法比传统无网格方法的计算时间至少节省76.15%,且当节点影响半径因子为1.01时,其本质边界条件的施加和有限元方法一样简单;由于采用质量矩阵集中技术的无网格方法比采用任意多边形节点影响域的无网格方法精度较低,因此如仅从计算效率考虑,对精度要求不是很高(误差在5%以内),建议采用质量矩阵集中技术,如同时考虑计算精度和效率,建议采用多边形节点影响域的技术.     

隐格式近似不可压四面体4节点大变形单元

由于在处理体积自锁方面的优势,近似不可压问题的大变形求解多采用六面体单元/网格,但对于复杂工程问题,由于网格剖分上的限制,往往更需要一种可以很好解决体积自锁的四面体单元。Bonet和Burton的平均节点压力4节点四面体单元是为数不多能够较好处理体积自锁问题的四面体单元之一,但是该单元目前主要用于显式计算。利用单元平均压力对位移增量的精确方向导数,得到了严格的一致切线阵,保证了Newton-Raphson迭代的二阶收敛,从而使得该单元可以用于隐式计算。该单元的压力平均计算会耦合相邻单元的节点自由度,从而增加切线刚度阵的非零带宽,但不增加自由度总数。分别采用线性六面体选择缩减积分单元、标准线性四面体单元和本文的单元计算了3个近似不可压的典型算例。算例表明,本文推导的单元可以有效克服体积自锁,达到与常用六面体单元相近的效果,使得四面体网格可以方便地用于不可压问题的大变形隐式求解。     

拼接网格技术在复杂流场数值模拟中的应用研究

采用分区拼接网格技术,对 DLR-F6 机翼/机身胜架/短舱复杂组合体进行拼接网格分布.并采用 Menter SST 湍流模型,通过求解 Navier-Stokes 方程,对该组合体外流场以及发动机短舱内流场进行了一体化数值模拟,与相应风洞实验数据及分区搭接网格计算结果进行了比较与分析,验证了拼接网格技术的高效性与可靠性.同时通过分析对比不同插值方法的计算结果,研究了插值方法对拼接精度的影响;通过分析对比几组不同的拼接网格算例,总结出了 3 个拼接网格的基本实施准则.证明了拼接网格能够大幅度减小计算网格数目,可以更加灵活地分布网格节点,这样既可以缩短计算时间,又可以降低对内存的需求,提高了计算效率;同时无论整体的力系数,还是局部的压力分布流场细节都能够满足工程精度.     

基于二重网格的动网格松弛法改进

相比传统的弹簧法等方法,基于球松弛算法的动网格松弛法在复杂边界大变形条件下可以得到质量更高的边界网格以及更大的极限变形量,但该方法在时间效率上还有提升的空间.引入二重网格,采用动网格松弛法进行稀疏网格的网格变形,将边界位移传递到整个网格计算域;再利用二重网格映射,将稀疏网格位移映射到原有计算网格的节点上.算例表明,改进...     

任意多连通域网格自动生成算法及其应用

给出了一种任意平面域内三角形网格自动生成的算法，本算法是根据下面两个事实而设计出来的：１、任意平面多连通域总可以剖分成若干个三角形单元。２、平面域内的活节点数目随着单元剖分总会趋近于零。文中还介绍了几种网格性能改善的方法，整个程序结构紧凑，需要人工输入的数据量少，生成的网格质量较高，而且处稳定性能好。     

用于ALE有限元模拟的网格更新方法

任意拉格朗日欧拉法(ALE)可以通过定义参考网格的运动,实现自由液面跟踪,完成液体晃动的数值计算. 综合用于更新网格节点的3种基本计算方法,将多方向更新网格速度的技术应用于任意拉格朗日欧拉网格节点的速度计算. 给出了水平圆柱形贮箱和椭圆形贮箱内液体晃动算例,实现了多方向更新网格运动与晃动流场计算的耦合,使ALE方法能胜任复杂几何边界下的自由液面流动的数值模拟.      

任意多连通域网格自动生成算法及其应用

给出了一种任意平面域内三角形网格自动生成的算法。本算法是根据下面两个事实而设计出来的：１．任意平面多连通域总可以剖分成若干个三角形单元。２．平面域内的活节点数目随着单元剖分总会趋近于零。文中还介绍了几种网格性能改善的方法。整个程序结构紧凑，需要人工输入的数据量少，生成的网格质量较高，而且算法稳定性能好。     

纤维增强复合材料弹性性能预测的域分解方法及应用

提出了新的有限元建模方法,即域分解方法,用于预测纤维增强复合材料单向带T300/BSL914C(环氧树脂)和AS4/3501-6(环氧树脂)的弹性性能。域分解方法基于区域叠合技术,分别建立单胞的整体域与纤维域模型用于代替传统有限元建模方法中单胞的基体域与纤维域模型。整体域是真实基体体积与纤维体积的叠加,两区域网格独立划分,互不影响。采用MSC.Nastran中的多节点约束Explicit单元,在整体域与纤维域节点之间建立位移连接属性模拟单胞基体域与纤维域之间的位移约束关系,从而实现两区域的耦合计算。计算结果表明:域分解方法单胞模型纤维增强方向弹性模量Ez预测值与试验值误差在7%以内,其余弹性常数也都与试验值吻合较好。域分解方法不仅可以大大简化纤维增强复合材料的细观力学建模,而且可以准确地预测纤维增强复合材料的弹性性能。     

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。     

凹形多面体离散单元的水平集函数接触算法

多面体模型理论上可构造任意颗粒形态,然而受单元接触算法的限制,仅用于凸形颗粒材料的离散元模拟。对于具有凹形特征的多面体单元,单个接触点的搜索算法难以精确计算单元间的作用力。考虑多面体单元间存在单个或多个接触点的计算特性,本文发展了适用于凸形和凹形多面体颗粒材料的水平集函数接触算法。该方法通过点-三角形单元距离计算方法和奇-偶数判定方法建立多面体单元的零水平集函数和空间水平集函数,并对水平集函数进行三线性插值,可得到多面体单元间的单个或多个接触点。为检验水平集函数接触算法的可靠性,对球形和凹形多面体颗粒材料的堆积和倒塌过程进行离散元模拟,并分析颗粒形状对堆积密度和休止角的影响规律。     

一种基于凸集-概率混合模型的结构可靠性分析法

本文建立一种凸集-概率混合模型下的结构可靠性分析方法。考虑椭球模型和区间模型两种不同类型的凸集模型，在标准空间内通过拉丁超立方抽样生成样本点，通过矩阵变换将其转换到凸集空间内，得到凸集变量的样本点；将凸集变量样本点代入极限状态方程，从而混合可靠性模型转变为纯概率可靠性模型；利用Laplace渐进积分法对每个极限状态方程进行失效概率求解，统计结果的最大值和最小值，得到失效概率的上、下界，研究了凸集变量的个数对结果的影响，通过失效概率的变异系数描述计算结果的稳定性；通过三个算例验证了计算结果的精度，并采用混合模型的蒙特卡洛法进行对比计算。研究表明：本文所提方法计算精度和效率均较高；凸集模型的类型会对结果产生较大影响；为使结果趋于稳定，椭球模型所需的凸集样本点个数多于区间模型；若凸集样本点数目相同，椭球模型的失效概率计算结果变异系数较小，稳定性高于区间模型。     

一种基于凸集-概率混合模型的结构可靠性分析法

本文建立一种凸集-概率混合模型下的结构可靠性分析方法。考虑椭球模型和区间模型两种不同类型的凸集模型,在标准空间内通过拉丁超立方抽样生成样本点,通过矩阵变换将其转换到凸集空间内,得到凸集变量的样本点;将凸集变量样本点代入极限状态方程,从而混合可靠性模型转变为纯概率可靠性模型;利用Laplace渐进积分法对每个极限状态方程进行失效概率求解,统计结果的最大值和最小值,得到失效概率的上、下界,研究了凸集变量的个数对结果的影响,通过失效概率的变异系数描述计算结果的稳定性;通过三个算例验证了计算结果的精度,并采用混合模型的蒙特卡洛法进行对比计算。研究表明：本文所提方法计算精度和效率均较高;凸集模型的类型会对结果产生较大影响;为使结果趋于稳定,椭球模型所需的凸集样本点个数多于区间模型;若凸集样本点数目相同,椭球模型的失效概率计算结果变异系数较小,稳定性高于区间模型。     

Optimal synthesis of function generator of four-bar linkages based on distribution of precision points

This article describes a method for optimizing the synthesis of a four-bar linkage mechanism to generate a definite mathematic function. In this research, the objective function was defined based on the least squares of error between the generated function and the desired function. Because of non-linearity of the objective function and the constraint, SQP method has been used to find the optimal mechanism. This method of optimization is a gradient-based method and its result is more trustable than heuristic methods. In this study, five precision points have been used to synthesize four-bar linkages; therefore, by using this amount of precision points, a set of non-linear equations was obtained for mechanism synthesis. Unlike the previous researches that dimensional parameters are used as optimization variables, precision points distribution was used in current research. The main innovation of this paper is presentation of some directions to have estimative prediction for distribution of precision points in optimal mechanism which maybe useful for designers. These directions were obtained based on the method that presented in current work and regard to shape of desired function and its first and second derivative.     

基于两点累积信息的原／倒变量展开的对偶优化方法

提出和论证了改善保守近似的展开“准则”及其定理；提出了基于两点累积信息的原／倒变量近似、论证了其凸凹性不变的优点；提出了应用它的对偶优化方法及其在桁架优化的实现；提出和证明了有关收敛性定理。     

Displacement Convexity and Minimal Fronts at Phase Boundaries

We show that certain free energy functionals that are not convex with respect to the usual convex structure on their domain of definition are strictly convex in the sense of displacement convexity under a natural change of variables.We use this to show that, in certain cases, the only critical points of these functionals are minimizers. This approach based on displacement convexity permits us to treat multicomponent systems as well as single component systems. The developments produce new examples of displacement convex functionals and, in the multi-component setting, jointly displacement convex functionals.     

NEWTON METHOD FOR SOLVING A CLASS OF SMOOTH CONVEX PROGRAMMING

1ConvexProgrammingandExactPenaltyFunction Weconsiderthefollowingconvexprogramming:(P)minf(x)s.t.x∈S={x∈Rn:gi(x)≤0,i=1,…,m}.SupposethatSisacompactset.ThusthereexistsalargeboundedboxX,suchthatS={x∈Rn:gi(x)≤0,i=1,…,m}intX.Assumethatf(x),gi(x),i=1,…,m     

A mesh-free radial basis function–based semi-Lagrangian lattice Boltzmann method for incompressible flows

In this paper, a local radial basis function–based semi-Lagrangian lattice Boltzmann method (RBF-SL-LBM) is proposed. This is a mesh-free method that can be used for the simulation of incompressible flows. In this method, the collision step is performed locally, which is the same as in the standard LBM. In the meanwhile, the steaming step is solved in a semi-Lagrangian framework. The distribution functions at the departure points, which may be not the grid points in general, are computed by the local radial basis function interpolation. Several numerical tests are conducted to validate the present method, including the lid-driven cavity flow, the steady and unsteady flow past a circular cylinder, and the flow past an NACA0012 airfoil. The present results are in good agreement with those published in the previous literature, which demonstrates the capability of RBF-SL-LBM for the simulation of incompressible flows.     

基于减基概念的凸集结构可靠性分析方法

针对椭球凸集参数域结构的可靠性分析问题,提出了一种基于减基概念的快速求解方法。首先,将椭球参数域进行坐标正交变换,获得标准的椭球域及其相应的矩形域,在矩形域采样且通过坐标逆向变换获得原椭球参数域的样本参数点集,并以此构建结构的减基空间及其相应的减基算法;随后,在标准椭球域产生均匀的等概率抽样点,并通过坐标逆向变换和相应的减基算法进行蒙特卡洛减基模拟来分析结构的可靠度及其可靠域。由于是在低维的逼近空间中进行椭球参数域结构的位移向量解分析,故而较之有限元法能够获得较高的计算效率。算例测试验证了本文方法的有效性。     

基于凸集模型的结构地震多维易损性分析

将凸集模型应用于结构的地震多维易损性分析。建立钢筋混凝土框架结构模型，选择最大层间位移角和最大层加速度两种参数建立多维性能极限状态方程。通过平均信息熵理论，获得两种参数的区间估计。考虑椭球模型和区间模型两种形式的凸集模型，在标准空间内通过拉丁超立方抽样生成样本点，通过矩阵变换将其映射到凸集空间内，建立结构地震响应的凸集模型。将凸集变量样本点代入极限状态方程，进行了易损性分析。采用概率模型进行对比计算，研究表明，与概率模型相比，当PGA较小时，凸集模型的破坏概率较大，而PGA较大时，凸集模型的破坏概率较小；椭球模型和凸集模型的分析结果差距较小，在各个PGA下破坏概率差值仅为0.05~0.1，因此可以不考虑凸集类型不同对易损性分析结果的差异。