一种算子自定义小波薄板单元及应用

提出了基于提升方案的自适应算子自定义小波有限元法,构造了一种新的算子自定义小波薄板单元。建立二维Hermite型有限元多分辨空间和两尺度关系,并由广义变分原理推导薄板结构关于尺度函数和小波函数的内积关系式,即算子。为满足算子正交性,提出基于提升方案的算子自定义小波单元的构造方法,其优点在于可根据问题的需要来设计具有期望特性的小波基。提出基于两尺度误差的自适应算子自定义小波有限元方法,通过向大于误差阈值的局域添加算子自定义小波,实现薄板结构问题的高效求解。算子自定义小波有限元法节省了重新划分网格或提高插值函数的阶次所带来的大量有限元前处理时间,并且实现薄板问题的高效解耦运算。     

Spectrally formulated wavelet finite element for wave propagation and impact force identification in connected 1-D waveguides

In this paper, a novel wavelet based spectral finite element is developed for studying elastic wave propagation in 1-D connected waveguides. First the partial differential wave equation is converted to simultaneous ordinary differential equations (ODEs) using Daubechies wavelet approximation in time. These ODEs are then solved using finite element (FE) technique by deriving the exact interpolating function in the transformed domain. Spectral element captures the exact mass distribution and thus the system size required is very much smaller then conventional FE. The localized nature of the compactly supported Daubechies wavelet allows easy imposition of initial-boundary values. This circumvents several disadvantages of the conventional spectral element formulation using Fast Fourier Transforms (FFT) particularly in the study of transient dynamics. The proposed method is used to study longitudinal and flexural wave propagation in rods, beams and frame structures. Numerical experiments are performed to show the advantages over FFT-based spectral element methods. The efficiency of the spectral formulation for impact force identification is also demonstrated.     

小波基方法在波传问题中的应用

基于多尺度分析理论，引入哈密顿体系和插值小波变换，分别构造了适合于求解复杂域波传问题的快速自适应方法——多尺度辛格式和插值小波配点格式，利用小波基的局部性与消失矩等特性改善计算效率，并将插值小波应用到波动方程的多尺度反演问题中。讨论了其优缺点并提出几点展望。     

Numerical solution of Poisson equation with wavelet bases of Hermite cubic splines on the interval

A new wavelet-based finite element method is proposed for solving the Poisson equation. The wavelet bases of Hermite cubic splines on the interval are employed as the multi-scale interpolation basis in the finite element analysis. The lifting scheme of the wavelet-based finite element method is discussed in detail. For the orthogonal characteristics of the wavelet bases with respect to the given inner product, the corresponding multi-scale finite element equation can be decoupled across scales, totally or partially, and suited for nesting approximation. Numerical examples indicate that the proposed method has the higher efficiency and precision in solving the Poisson equation.     

算子自定义小波弹性板单元构造及自适应分析

提出一类用于分析弹性板问题的算子自定义小波弹性板单元构造方法。该方法的优点在于根据工程问题的求解需要灵活构造具有解耦特性的算子自定义小波基，使得系统多尺度刚阵具有沿对角线的强稀疏性，从而实现了该算法在每个尺度上独立、快速求解，系统方程的求解效率得到较大提高。建立多分辨Lagrange有限元空间和多尺度计算理论，提出基于稳定完备法的算子自定义小波弹性板单元构造方法及解耦条件。依据两尺度相对误差估计，提出自适应算子自定义小波有限元算法。数值算例证明，算子自定义小波弹性板单元具有求解精度与计算效率高等特点。     

Study on spline wavelet finite-element method in multi-scale analysis for foundation

A new finite element method （FEM） of B-spline wavelet on the interval （BSWI） is proposed. Through analyzing the scaling functions of BSWI in one dimension, the basic formula for 2D FEM of BSWI is deduced. The 2D FEM of 7 nodes and 10 nodes are constructed based on the basic formula. Using these proposed elements, the multiscale numerical model for foundation subjected to harmonic periodic load, the foundation model excited by external and internal dynamic load are studied. The results show the pro- posed finite elements have higher precision than the tradi- tional elements with 4 nodes. The proposed finite elements can describe the propagation of stress waves well whenever the foundation model excited by extemal or intemal dynamic load. The proposed finite elements can be also used to con- nect the multi-scale elements. And the proposed finite elements also have high precision to make multi-scale analysis for structure.     

小波插值方法自适应数值求解时间进化微分方程

应用小波自相关函数的插值性质,得到任意给定函数的插值小波表达式,然后对其直接求导,可以得到函数导数的表达式。导数运算不再应用差分算法,扩展了小波方法在数值求解微分方程中的应用。由于小波基函数的有限支撑特点,小波方法可以有效地处理微分方程中解的局部突变问题。通过设定小波系数阀值,实现了求解过程的自适应。本文给出了两个算例,结果表明了算法的自适应特点及其向二维空间问题推广的有效性。     

薄板小波有限元理论及其应用

利用样条小波尺度函数构造了常用的三角形和矩形薄板单元的位移函数,得到了利用小波函数表示的形函数。采用合理的局部坐标,对单元进行压缩,使单元在局部坐标区间上有其值,成功地推导出了分域的三角形和矩形薄板小波有限元列式。在此基础上,提出了弹性地基薄板的小波有限元求解方法。通过两个算例对薄板的挠度和弯矩进行了计算,数值结果表明,求解结果具有收敛快、精度高的特点。     

自然单元法研究进展

自然单元法是一种基于Voronoi图和Delaunay三角化几何结构,以自然邻点插值为试函数的一种新型数值方法.其既具有无网格方法和经典有限元方法的优点,又克服了两者的一些缺陷,是一种发展前景广阔的求解微分方程的数值方法.自然单元法的形函数满足插值性质,可以像有限元法一样直接施加本质边界条件,不存在基于移动最小二乘拟合的无网格方法不能直接施加本质边界条件的难题.由于自然单元法是无网格方法,可以方便处理有限元方法较难处理的一些问题,例如移动边界和大变形等问题.自然单元法与其他数值方法的最根本区别于其插值格式的不同.将自然邻点插值用于Galerkin过程,就得到基于Voronoi结构的自然单元Galerkin法.自然邻点插值有自然邻点Sibson插值和Laplace插值(非Sibson插值)两种.Laplace插值比Sibson插值在计算上要简单的多,并且不论对凸的或非凸的区域都能精确施加本质边界条件.以Laplace插值为试函数的自然单元法在数值实施上比以Sibson插值为试函数的自然单元法简单.本文对基于Voronoi结构的自然邻点插值和自然单元法的基本思想作了介绍,综述了国内外关于自然单元法的研究成果,总结了自然单元法的优点和尚需解决的问题.     

小波方法及其非线性力学问题应用分析

小波分析是近几十年来发展起来的重要数学分支,被誉为"数学显微镜",其独具的多分辨分析和大量可供选择的,可兼具正交性、紧支性、对称性、低通滤波、线性相位及插值性等优良数学品质的小波基函数为强非线性微分方程的数值求解带来了新的契机.自上世纪90年代以来,诸如小波伽辽金法、小波配点法、小波有限单元法和小波边界单元法等数值方法被先后构建出来并成功应用于各类力学问题的定量研究之中.论文从小波提出的历史背景及作为其理论基础的多分辨分析出发,对现有基于小波理论的各类数值方法进行梳理,总结各自的优点、缺点和下一步可能的发展方向,为未来基于小波理论的定量分析方法的发展及其在复杂非线性力学问题中的应用研究提供参考.     

一维区间B样条小波单元的构造研究

基于区间B样条小波及小波有限元理论,提出了一种区间B样条小波有限元方法。传统有限元多项式插值被一维区间B样条小波尺度函数取代,进而构造形状函数和单元。与小波Galer-kin方法不同,本文构造的区间B样条小波单元通过转换矩阵将无明确物理意义的小波插值系数转换到物理空间。转换矩阵在小波单元构造过程中起到关键作用,为了保证求解的稳定性,转换矩阵必须非奇异。构造了以区间B样条尺度函数为插值函数的一系列一维区间B样条小波单元。数值算例表明,本文构造的区间B样条小波单元与传统有限元方法相比,在求解变截面,变载荷等问题时具有收敛快和精度高等优势;有效地丰富了小波有限元法单元库。     

非均质材料动力分析的广义多尺度有限元法

自然界和工程中的大部分材料都具有多尺度特征,当考察尺度小到一定程度后,都将表现出非均质性.针对非均质材料的动力问题,提出了一种广义多尺度有限元方法,其基本思想是利用静态凝聚法以及罚函数法构造能够反映单元内部材料非均质特性的多尺度位移基函数.与传统扩展多尺度有限元法中的基函数构造方式不同,广义多尺度有限元法的基函数无需通过在子网格域上多次求解椭圆问题得到,而可直接通过矩阵运算获得.其主要步骤如下:利用数值基函数将一个非均质单胞等效为一个宏观单元,进而形成整个结构的等效刚度矩阵,并得到宏观网格的节点位移,最后再次利用数值基函数得到微观尺度上的位移结果.该广义多尺度有限元法是扩展多尺度有限元法的一种新的拓展,可模拟具有更加复杂几何的非均质单胞的力学行为.通过数值算例,模拟了非均质材料的静力问题、广义特征值问题以及瞬态响应问题,计算结果表明:在边界条件一样的情况下,广义多尺度有限元法的计算结果与传统有限元的计算结果保持高度一致.与传统有限元相比,该方法在保证计算精度的同时极大地提高了计算效率.研究结果表明,广义多尺度有限元法能够很好地模拟非均质单胞的力学行为,具有良好的工程应用潜力.     

基于小波有限元的车辆-轨道-桥梁系统竖向振动分析

基于小波有限元建立了车辆-轨道-桥梁系统竖向运动方程。将车辆、轨道和桥梁作为一个整体系统，钢轨和桥梁采用区间B样条小波单元离散，钢轨与桥梁之间的钢轨基础采用均布的弹簧和阻尼模拟，采用虚功原理建立了基于小波有限元的四轴车辆-轨道-桥梁竖向振动分析模型。结果表明，采用区间B样条小波单元可较大程度上减小系统的自由度数，缩减计算量，节省计算时间。     

Development and validation of a SUPG finite element scheme for the compressible Navier–Stokes equations using a modified inviscid flux discretization

This paper considers the streamline‐upwind Petrov–Galerkin (SUPG) method applied to the unsteady compressible Navier–Stokes equations in conservation‐variable form. The spatial discretization, including a modified approach for interpolating the inviscid flux terms in the SUPG finite element formulation, and the second‐order accurate time discretization are presented. The numerical method is discussed in detail. The performance of the algorithm is then investigated by considering inviscid flow past a circular cylinder. Validation of the finite element formulation via comparisons with experimental data for high‐Mach number perfect gas laminar flows is presented, with a specific focus on comparisons with experimentally measured skin friction and convective heat transfer on a 15° compression ramp. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

薄板的多变量小波有限元分析

基于区间B样条小波和广义变分原理,提出了多变量小波有限元法,构造了一种新的薄板多变量小波有限单元.由广义变分原理推导结构的多变量有限元列式,区间B样条小波尺度函数作为插值函数构造的多变量小波有限元法中,广义应力和应变被作为独立变量进行插值,避免了传统方法中应力应变求解的微分运算,减小了计算误差.区间B样条小波良好的数值...     

基于开放式结构有限元系统 SiPESC.FEMS平板壳单元研发

基于开放式结构有限元系统SiPESC.FEMS的单元计算模块的设计模式,研发设计一种通用的平板壳单元计算框架。考虑板壳单元的组合关系和程序编制过程中的重用性及灵活性等特点,采用了软件设计中的构造器(Builder)模式实现不同的组合单元。本框架具有很好的通用性和可扩展性,为有限元程序研发提供了一个新的方式;同时,系统能够处理复杂荷载和边界条件,并可灵活实现不同类型单元的组合分析。本文利用此方法构造五种平板壳单元,通过数值算例分析对比讨论其性能,为选取合适的平板壳单元类型进行结构数值分析提供参考。     

基于等几何分析的比例边界有限元方法

提出了一种具有比例边界有限元的半解析特性和等几何分析的几何特性的新方法。该新方法是在比例边界有限元框架中用NURBS曲线或曲面精确描述域边界几何形状,同时域边界位移场采用描述几何形状的NURBS形函数等参构造。这种新方法具有比例边界有限元固有的径向解析特性和NURBS的高阶连续性的优点。数值算例显示,与传统的比例边界有限元相比,基于等几何分析的比例边界有限元方法提高了域边界单元和域内应力场的连续性,减少了计算自由度。应用此方法可以用较少的计算自由度获得更高连续阶和更高精度的位移、应力和应变场。     

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采用谱单元方法推导带阻尼梁的传递函数矩阵. 采用一维连续梁的解析解作为动力形状函 数. 与有限元法相比，谱单元方法的自由度和单元数目小且计算精度高. 传递函数表示为梁 的几何和物理参数的超越隐函数，不同于用模态参数表示的传统传递函数. 提出了采用遗传 算法的结构物理参数识别方法. 以变截面悬臂梁为数值算例，显示该方法的有效性.     

结构动力分析自适应有限元方法综述

结构动力分析自适应有限元方法主要研究有限元动力分析的误差估计理论,建立适用于复杂结构动力分析的有限元网格自适应过程．介绍了结构动力问题自适应有限元方法的重要发展,包括固有振动和动响应分析的误差估计及相应的自适应策略;且简要介绍了几种现有的网格生成技术及其特点．最后指出这种方法存在的问题和今后的研究方向．     

Non-local finite element analysis of damped beams

Non-local viscoelastic beam models are used to analyse the dynamics of beams with different boundary conditions using the finite element method. Unlike local damping models the internal force of the non-local model is obtained as weighted average of state variables over a spatial domain via convolution integrals with spatial kernel functions that depend on a distance measure. In the finite element analysis, the interpolating shape functions of the element displacement field are identical to those of standard two-node beam elements. However, for non-local damping, nodes remote from the element do have an effect on the energy expressions, and hence on the damping matrix. The expressions of these direct and cross damping matrices may be obtained explicitly for some common spatial kernel functions and Euler–Bernoulli beam theory. Alternatively numerical integration may be applied to obtain solutions. Examples are given where the eigenvalues are compared to the exact solution for a pinned–pinned beam to demonstrate the convergence of the finite element method. The results for beams with other boundary conditions are used to demonstrate the versatility of the finite element technique.