二维稳定流形的自适应推进算法

稳定和不稳定流形是研究动力系统全局特性的重要工具. 一般系统的稳定和不稳定流形的曲率在全局范围内会有明显变化,应根据流形曲率的变化采用不同尺寸的网格单元计算全局流形. 然而在现有二维流形算法中,流形网格单元的尺寸在全局范围内是统一的. 为持续有效地计算全局稳定流形,提高计算网格对流形曲率变化的适应性. 本文在偏微分方程算法的基础上提出一种二维稳定流形的自适应推进算法. 该算法的基本思想是根据稳定流形曲率的变化自适应地调整网格单元的尺寸. 该算法首先在系统的稳定特征子空间中确定稳定流形的一个初始估计,该初始估计的网格单元尺寸设置为初始大小. 然后根据稳定流形网格前沿的曲率特点自适应地产生新的备选网格单元,继而根据相切性条件更新备选点的坐标,并将距离平衡点最近的备选点接受为已知点,最后更新稳定流形网格的前沿并自适应地产生新的备选网格单元,通过这个迭代过程使流形网格自适应地向前推进. 本文算法通过引入流形单元尺寸自适应,成功实现了洛伦兹流形和类球面流形的计算,并与偏微分方程算法进行了对比,结果表明自适应推进算法的流形计算单元的尺寸可在全局范围内根据流形曲率自适应地调整. 利用自适应推进算法计算二维稳定流形,可实现稳定流形的自适应推进.      

自然单元法的自适应研究

自然单元法(NEM)是一种新兴的无网格数值计算方法,具有前处理简单和易于准确施加本质边界条件等优点.本文基于Z-Z后验误差估计方法,给出了一种自然单元法的误差估计因子和自适应分析细化方案.采用结点处的光滑应变计算相应的恢复应力,并用于构造全域上的恢复应力场.通过结点Voronoi单胞内的能量范数相对误差指示需要进行结点...     

固定网格的数值流形方法研究

针对单纯几何非线性的材料大变形问题, 提出一种新的研究思路------固定数学网 格的数值流形方法, 简称固定网格流形法, 可以看作是采用了固定网格的拉格朗日方法. 它 充分利用数值流形方法的数学网格与材料物理边界分离的特性, 具备拉格朗日法和欧拉法各 自的优势, 避免了原始拉格朗日法的网格扭曲问题以及欧拉法对移动边界难以精确 描述和迁移项较难处理的问题. 采用数值流形方法的大变形分步计算格式, 使得固定网格流形 法实现起来并不复杂, 仅需要每步切割网格形成新的流形单元, 以及对初应力载荷进行适 当的处理, 而后者是固定网格流形法的关键. 针对固定的矩形数学网格开展研究, 采用一阶 多项式覆盖函数的高阶流形法, 给出了两种初应力计算方法, 并用悬臂梁大变形算例验证了 固定网格流形法的可行性, 将来需要进一步解决初应力载荷所带来的计算稳定问题.     

基于Python-Abaqus的自适应网格重划分算法实现及其应用

在有限元分析中,当选取了合适单元类型后,若采用的网格尺寸太大则达不到计算精度要求,尺寸太小则往往需要非常庞大的单元数而导致求解自由度的迅速增长,利用自适应网格可以减轻计算精度与计算量的矛盾。本文采用基于后验误差估计的自适应网格重划算法,并结合Abaqus二次开发,编写了相应的自适应有限元Python脚本,从数值上分析了误差控制标准对计算结果的影响,实现了自适应求解全过程。通过Python脚本应用于几类典型问题的有限元分析,数值验证了基于Abaqus网格重划技术的自适应方法对求解应力集中问题的有效性。Python二次开发自适应计算与模拟,可绕过Abaqus/CAE的图形用户界面(GUI)直接对Abaqus内核进行操作,实现从几何建模、网格剖分到自适应求解的自动化处理,进而可方便多次修改模型和参数,提高建模效率。     

基于双重自适应的六面体网格再生成方法

提出了一种以栅格法为基本方法,基于几何特征和物理场量双重自适应的六面体网格再生成方法。首先,依据旧网格的表面曲率和几何特征,采用基于栅格法的几何自适应网格再生成方法,生成密度受控的基础网格;然后,将旧网格的物理场量传递到基础网格中;最后,采用有限元误差估计方法对新网格单元的计算误差进行估计,对误差较大的单元进行加密,减...     

热传导问题的非协调数值流形方法

数值流形方法通过引入数学与物理双重网格，将插值域与积分域分别定义在两个不同的覆盖上，其优点是网格划分随意，不受复杂边界形状和材料界面的限制，是较之于有限元方法更一般化的数值模拟方法。在计算精度方面，数值流形方法远远高于有限元法。但它的精度还是不够理想。为此本文在单元总体位移场上附加非协调位移基本项，使单元位移函数趋于完全，构造了非协调流形单元来改善流形单元的计算精度和计算效率，并将其应用于热传导问题，推导了势问题的非协调数值流形方法。     

数值流形方法研究及应用进展

基于有限覆盖技术的数值流形方法是一种新的广义的数值方法.该方法的场函数近似原理和有限元、无网格、单位分解等方法相似,但在网格划分、覆盖形式、近似函数等方面有其自身的特点和优势.对该方法近年来在理论研究和应用方面取得的重要进展进行了综述.在理论研究方面,日前已对不同形式物理覆盖流形单元的性能进行了研究,结果表明流形单元的精度较有限单元高,且提高覆盖函数的阶次能提高单元的精度;同时理论研究已由二维低阶流形方法推广到三维高阶流形方法,由线性流形方法推广到非线性流形方法,由基于能量原理的流形方法推广到基于加权余量的流形方法,非协调流形方法、无网格流形方法等也已开展了研究;此外,覆盖系统的自动生成、覆盖函数的形式以及边界条件的处理方法等流形方法相关理论的研究也取得了进展.在应用方面,开展了有关岩石破坏和裂纹扩展等非连续变形分析更深入的研究,并已逐步推广到金属塑性变形分析、多孔介质变形分析以及温度场的数值分析等多个领域.针对日前流形方法的研究和应用现状,该文展望了流形方法理论及实现方法的研究方向、及其在计算流体力学、金属成形等大变形问题、多物理场分析等领域的应用前景.     

基于单位分解法的无网格数值流形方法

在数值流形方法和单位分解法的基础上，提出了无网格数值流形方法. 无网格数值流形 方法在分析时采用了双重覆盖系统，即数学覆盖和物理覆盖. 数学覆盖提供的节点形成求解 域的有限覆盖和单位分解函数；而物理覆盖描述问题的几何区域及其域内不连续性. 与原有 的数值流形方法相比，无网格数值流形方法的数学覆盖形状更加灵活，可以用一系列节点的 影响域来建立数学覆盖和单位分解函数，具有无网格方法的特性，从而摆脱了传统的数值流 形方法中网格所带来的困难. 与无网格方法相比，由于采用了有限覆盖技术，试函数的构造 不受域内不连续的影响，克服了原有的无网格方法在处理不连续问题时所遇到的困难. 详细推导了无网格数值流形方法的试函数和求解方程，最后给出了算例，验证了该方法的正 确性.     

二维稳定流形的自适应推进算法

稳定和不稳定流形是研究动力系统全局特性的重要工具.一般系统的稳定和不稳定流形的曲率在全局范围内会有明显变化,应根据流形曲率的变化采用不同尺寸的网格单元计算全局流形.然而在现有二维流形算法中,流形网格单元的尺寸在全局范围内是统一的.为持续有效地计算全局稳定流形,提高计算网格对流形曲率变化的适应性.本文在偏微分方程算法的基础上提出一种二维稳定流形的自适应推进算法.该算法的基本思想是根据稳定流形曲率的变化自适应地调整网格单元的尺寸.该算法首先在系统的稳定特征子空间中确定稳定流形的一个初始估计,该初始估计的网格单元尺寸设置为初始大小.然后根据稳定流形网格前沿的曲率特点自适应地产生新的备选网格单元,继而根据相切性条件更新备选点的坐标,并将距离平衡点最近的备选点接受为已知点,最后更新稳定流形网格的前沿并自适应地产生新的备选网格单元,通过这个迭代过程使流形网格自适应地向前推进.本文算法通过引入流形单元尺寸自适应,成功实现了洛伦兹流形和类球面流形的计算,并与偏微分方程算法进行了对比,结果表明自适应推进算法的流形计算单元的尺寸可在全局范围内根据流形曲率自适应地调整.利用自适应推进算法计算二维稳定流形,可实现稳定流形的自适应推进.     

基于最佳质量网格的薄板问题的非协调流形方法

对于大部分非协调板单元，使用规则网格能得到很好的效果。但是，当网格不规则时，非协调元的数值特性将变得很差，甚至收敛性得不到保证。为解决网格依赖性问题，许多专家学者提出了改造单元，如拟协调元法和广义协调元法，这些方法能解决收敛性问题，但是数值实践证明没有一种单元能在所有情况下都具有良好的数值特性。考虑到流形方法采用两套完全独立的覆盖系统，可以用规则的数学网格来作为数学覆盖进行插值，取得最佳的插值效果，单元收敛性便能得到保证。再结合适用于流形方法的变分提法，建立起流形方法处理非规则物理边界非协调板单元的一般格式。以ACM 薄板单元为例，与ANSYS、拟协调元法和广义协调元法进行了对比，证明本文方法在处理具有曲线边界的薄板弯曲问题时具有收敛快和精度高等优势。     

THEORETICAL STUDY OF THREE-DIMENSIONAL NUMERICAL MANIFOLD METHOD

IntroductionNumerical manifold method is a new numerical method established on the basis of finitecover of manifold[1,2].By using continuous and non-continuous finite cover system,thenumerical manifold method includes the continuous and non-continuous as …     

二维定常不可压缩粘性流动N-S方程的数值流形方法

将流形方法应用于定常不可压缩粘性流动N-S方程的直接数值求解,建立基于Galerkin加权余量法的N-S方程数值流形格式,有限覆盖系统采用混合覆盖形式,即速度分量取1阶和压力取0阶多项式覆盖函数,非线性流形方程组采用直接线性化交替迭代方法和Nowton-Raphson迭代方法进行求解.将混合覆盖的四节点矩形流形单元用于阶梯流和方腔驱动流动的数值算例,以较少单元获得的数值解与经典数值解十分吻合.数值实验证明,流形方法是求解定常不可压缩粘性流动N-S方程有效的高精度数值方法.     

数值流形方法及其在岩石力学中的应用

数值流形方法是目前岩石力学分析的主要方法之一.该方法起源于不连续变形分析,主要用于统一求解连续和非连续问题,其核心技术是在分析时采用了双重网格:数学网格提供的节点形成求解域的有限覆盖和权函数;而物理网格为求解的积分域.数学网格被用来建立数学覆盖,数学覆盖与物理网格的交集定义为物理覆盖,由物理覆盖的交集形成流形单元.流形方法的优点在于它使用了独立的数学和物理网格,具有和有限元明显不同的定义形式,且数学网格对于同一问题不同的求解精度的需求可以很方便地细化.由于该方法考虑了块体运动学,可以模拟节理岩体裂隙的开裂和闭合过程,因而在岩石力学中得到了广泛应用,近年来许多学者对该方法进行了研究.本文简要叙述了节理岩体的数值方法从连续到非连续的发展过程,详细地介绍了数值流形方法的组成和数值流形方法在岩石力学及其相关领域的研究和发展概况,最后就作者所关心的一些问题,如三维问题的数值流形方法、数值流形方法在物理非线性问题和裂纹扩展问题中的应用、相关的耦合方法等进行了探讨.     

数值流形方法的对象设计

研究了数值流形方法的对象设计方法和组织方式,为流形方法的理论研究和向三维问题的扩展打下良好的基础,研究发现数值流形方法具有编程和前后处理简单的特点,且仅用三角形流形单元和一阶近似的覆盖位移函数就可达到有限元多结点等参元的求解精度,具有深远的工程意义,计算结果表明,数值解与理论解吻合。     

基于适合分析T样条的高阶数值流形方法

数值流形方法是一种非常灵活的数值计算方法,连续体的有限单元方法和块体系统的非连续变形分析方法只是这一数值方法的特例.数值流形方法中高阶位移函数的构造可通过提高权函数的阶次来实现,这种方法往往需要沿单元边界配置适当的边内节点,这些结点的出现增加了前处理的复杂性,特别是对于大型复杂的空间问题.另一方面,在数值流形方法中可通过缩小单元尺寸(h加密)来提高求解精度.当模拟裂纹扩展时,这种细化策略可用来克服裂纹尖端的奇异性.一个传统的解决方案是细化整个网格,但这会导致计算效率的显著降低.将适合分析的T样条(analysis-suitable T-spline,AST)引入数值流形方法中来建立高阶数值流形方法的分析格式,有效的避免了该问题的出现.AST样条基函数具有线性无关,单位分解,局部加密等许多重要性质,使得其非常适合用于工程设计及分析.在引入AST样条后,可通过改变数学覆盖的构造形式建立不同阶次的数值流形方法分析格式;AST样条自身的局部加密性质也使得数值流形方法中的数学网格局部加密更容易实现.算例结果表明:随着AST样条基函数阶次的提高,数值流形方法的计算结果有了明显的改善;基于AST样条基函数的数值流形方法在保持计算精度的前提下降低了自由度的数量.     

流形元法固定边界约束处理研究

在数值流形方法中,对于材料的固定边界,一般采用罚函数的方法进行处理,即在固定边界上设置刚性弹簧约束其位移来实现固定约束条件的近似满足。罚函数法在理论上不是严格的固定约束处理方法,罚弹簧的布置与弹簧刚度的大小对模拟的效果都会产生影响。基于流形单元上位移函数的组成提出了流形方法固定边界约束处理的新方法,在组成流形单元的物理覆盖上,通过取消相应的覆盖函数在流形单元位移函数中的组成来实现双向固定的约束条件,通过使用只包含单方向位移的覆盖函数使x向固定约束条件和y向固定约束条件得到实现,推导了相应固定约束条件下的流形单元刚度矩阵的数值计算格式。该方法严格满足固定约束的物理意义,简化了固定边界的处理,并经算例证明是有效和准确的,有利于数值流形方法的程序实现和工程应用。     

弹性力学的复变量数值流形方法

数值流形方法通过引入数学和物理双重网格，将插值域和积分域分别定义在两个不同的覆盖 上来完成系统能量泛函积分运算. 当采用高阶函数构造位移函数时，广义节点自由度将大大 增加. 在求解系统的平衡方程中，运算量是与自由度的三次方成正比的，因此数值流形方法 的计算量是较大的. 为此，在复变量理论的基础上，采用一维基函数建立二维问题的逼 近试函数，然后将其应用于弹性力学的数值流形方法，提出了复变量数值流形方法，推导了 弹性力学的复变量数值流形方法的公式. 与传统的数值流形方法相比，复变量数值流形方法 具有计算量小、精度高的优点.     

瞬态热传导问题的精细积分数值流形方法研究

数值流形方法（NMM）因其特有的双覆盖系统（数学覆盖和物理覆盖）在域离散方面具有独特的优势，而精细时间积分法则具有精度高、无条件稳定、无振荡以及计算结果不依赖于时间步长等特点。发展了用于研究二维瞬态热传导问题的精细积分NMM。结合待求问题的控制方程和边界条件，并基于修正变分原理导出了NMM的总体方程，给出了求解此类时间相依方程的精细时间积分及空间积分策略，选取了两个典型算例对方法的有效性进行了验证，结果表明本文方法可以高效高精度地求解瞬态热传导问题。