A novel four-node quadrilateral element with continuous nodal stress

Formulation and numerical evaluation of a novel four-node quadrilateral element with continuous nodal stress（Q4-CNS）are presented.Q4-CNS can be regarded as an improved hybrid FE-meshless four-node quadrilateral element（FE-LSPIM QUAD4）, which is a hybrid FE-meshless method.Derivatives of Q4-CNS are continuous at nodes, so the continuous nodal stress can be obtained without any smoothing operation.It is found that,compared with the standard four-node quadrilateral element（QUAD4）,Q4- CNS can achieve significantly better accuracy and higher convergence rate.It is also found that Q4-CNS exhibits high tolerance to mesh distortion.Moreover,since derivatives of Q4-CNS shape functions are continuous at nodes,Q4-CNS is potentially useful for the problem of bending plate and shell models.     

二阶非自伴两点边值问题Galerkin有限元后处理超收敛解答计算的EEP法

将一维Ritz有限元法超收敛计算的EEP(单元能量投影)法推广到二阶非自伴常微分方程两点边值问题Galerkin有限元法的超收敛计算。在对精确单元的研究中,发现与Ritz有限元法不同,只要检验函数采用伴随算子方程的解,无论试函数取何形式,在结点处都可得到精确的解函数值。对近似单元的研究表明,EEP法同样适用于Galerkin有限元法,不仅保留了简便易行、行之有效、效果显著的特点,同时也保留了EEP法的特有优点,如:任一点的导数和解函数的误差与结点值的误差具有相同的收敛阶。     

平面广义四节点等参元GQ4及其性能探讨

广义节点有限元是将传统有限元方法中的节点广义化,在不增加节点个数的前提下,仅通过提高广义节点的插值函数的阶次,从而达到提高有限元解精度的目的.与现有的p型和hp型有限元不同,在这种新的有限元中,节点自由度全部定义在节点处,在理论与程序实现上与传统有限元方法具有很好的相容性,传统有限元方法是这种新方法的广义节点退化为0阶时的特殊情形.文中主要讨论了这一新方法的四节点等参元（记为GQ4）的形式.对GQ4进行的各种数值试验表明,所发展的广义四节点等参单元具有精度高且无剪切自锁与体积自锁等的特点.     

基于p型有限元法和围线积分法计算复合型应力强度因子

传统有限元法由于采用低阶插值计算应力强度因子时,需要划分的网格数较多,收敛速度较慢,得到的应力强度因子精度不足。p型有限元法在网格确定时通过增加插值多项式的阶数来提高计算精度,具有网格划分少、收敛速度快、精度高、自适应能力强等特点。本文采用基于p型有限元法的有限元计算软件StressCheck计算得到应力场和位移场,并由围线积分法导出混合型应力强度因子(SIFs)。通过几个经典算例,分析了围线的选择对计算精度的影响,计算了不同裂纹长度、不同裂纹角度和裂纹在应力集中区域不同位置时的应力强度因子。并将数值结果、理论解与文献中其他数值计算方法所得的部分结果进行了对比分析,结果表明自由度数不大于7000时,导出的应力强度因子相对误差最大不超过1.2%,数值解表现出较高的精度及数值稳定性。     

节点梯度光滑有限元配点法

配点法构造简单、计算高效, 但需要用到数值离散形函数的高阶梯度,而传统有限元形函数的梯度在单元边界处通常仅具有C$^{0}$连续性,因此无法直接用于配点法分析. 本文通过引入有限元形函数的光滑梯度,提出了节点梯度光滑有限元配点法. 首先基于广义梯度光滑方法,定义了有限元形函数在节点处的一阶光滑梯度值,然后以有限元形函数为核函数构造了有限元形函数的一阶光滑梯度,进而对一阶光滑梯度直接求导并用一阶光滑梯度替换有限元形函数的标准梯度,即完成了有限元形函数二阶光滑梯度的构造.文中以线性有限元形函数为基础的理论分析表明,其光滑梯度不仅满足传统线性有限元形函数梯度对应的一阶一致性条件,而且在均布网格假定下满足更高一阶的二阶一致性条件.因此与传统线性有限元法相比,基于线性形函数的节点梯度光滑有限元法的$L_{2}$和$H_{1}$误差均具有二次精度,即其$H_{1}$误差收敛阶次比传统有限元法高一阶, 呈现超收敛特性.文中通过典型算例验证了节点梯度光滑有限元配点法的精度和收敛性,特别是其$H_{1}$或能量误差的精度和收敛率都明显高于传统有限元法.      

基于分区径向基函数配点法的大变形分析

无网格法因为不需要划分网格, 可以避免网格畸变问题,使得其广泛应用于大变形和一些复杂问题. 径向基函数配点法是一种典型的强形式无网格法,这种方法具有完全不需要任何网格、求解过程简单、精度高、收敛性好以及易于扩展到高维空间等优点,但是由于其采用全域的形函数, 在求解高梯度问题时 存在精度较低和无法很好地反应局部特性的缺点. 针对这个问题,本文引入分区径向基函数配点法来求解局部存在高梯度的大变形问题. 基于完全拉格朗日格式,采用牛顿迭代法建立了分区径向基函数配点法在大变形分析中的增量求解模式.这种方法将求解域根据其几何特点划分成若干个子域, 在子域内构建径向基函数插值, 在界面上施加所有的界面连续条件,构建分块稀疏矩阵统一求解. 该方法仍然保持超收敛性, 且将原来的满阵转化成了稀疏矩阵, 降低了存储空间,提高了计算效率. 相比较于传统的径向基函数配点法和有限元法, 这种方法能够更好地反应局部特性和求解高梯度问题.数值分析表明该方法能够有效求解局部存在高梯度的大变形问题.      

自然单元法计算裂纹与材料边界问题

提出一种新的非凸边界上自然单元法形函数计算方法,通过边界结点限制点对间的邻点关系,对包括裂纹和材料边界在内的各种类型的非凸边界具有统一的处理原则,所得到的近似函数在边界结点间具有线性插值性.     

非线性有限元分析的非协调模式及存在的问题

利用非协调模式提高非线性有限元分析广泛采用的低阶单元的精度和性能,是国际计算力学界研究的热点和难点.阐述了国际上在非线性有限元分析中已广泛采用的增广假设应变法方法(the enhanced assumed strain, EAS)的基本原理,详细讨论了非协调模式用于非线性有限元分析保证收敛、稳定的条件及增广假设应变场插值函数的构造方法.介绍了国内学者关于几何非线性非协调模式的研究方法和研究成果: (1)从Hellinger-Reissner广义变分原理出发,提出了几何非线性非协调模式的收敛条件,并采用非线性计算的若干简化措施建立几何非线性非协调元的简化模型;(2)一类放松单元间协调要求的非线性广义变分原理,对几何非线性问题可以选择事先无协调约束的非协调函数建立非协调元,收敛性可以保证,并根据此非线性广义变分原理可建立C$^1$或C$^0$类几何非线性广义杂交元,C$^1$或C$^0$类精化杂交元和精化直接刚度法.指出了EAS方法用于非线性有限元分析存在的问题,即本构关系和求解方法的限制,并对非协调元应用于非线性有限元分析提出了展望.      

Contact friction analysis and stress oscilation suppression with a simple interface element

A simple interface element for analyzing contact friction problems is developed. Taking nodal displacements and contact stresses as unknowns, this element can simulate frictional slippage, decoupling and re-bonding of two bodies initially mating or having gaps at a common inteface. The method is based on the Finite Element Method and load incremental theory. The geometric and static constrait conditions on contact surfaces are treated as additional conditions and are included in stiffness equations. This simple element has the advantages of easy implementation into standard finite element programs and fast speed for convergence as well as high accuracy for stress distribution in interface. Undesirable stress oscillations are also investigated whenever large stress gradients exist over the contact surfaces. Exact integration or the conventional Gauss integration scheme used to evaluate the interpolation function matrix of the interface element is found to be the source of the oscillations. Eigenmode analysis demonstrates that the stress behavior of an interface element can be improved by using the Newton-Cotes integration scheme. Finally, the test example of a strip footing problem is presented.     

应变梯度理论自然邻近混合伽辽金法

应变梯度理论考虑了位移二阶梯度对应变能密度函数的贡献,在本构关系中引入了与材料微结构特征尺寸相关的参数,可以唯象地解释尺度效应现象。基于约束变分原理,把位移与位移一阶梯度作为独立场变量,使用拉格朗日乘子法引入二者的协调关系,放松对试探函数连续性与完备性的要求,建立了二维及三维问题的应变梯度理论自然邻近混合伽辽金法。通过算例对方法的计算性能进行了考查,结果表明,该方法具有良好的数值精度,能够模拟材料力学性能的尺度效应。     

从矩阵位移法看有限元应力精度的损失与恢复

矩阵位移法在计算杆端力时须叠加一个“固端力”项，而在有限元法中结点（应）力是直接对位移求导获得的，丢失了“固端力”一项，致使应力的精度大为下降．其实，对于一维有限元，同样可以对结点力叠加一个“固端力”项，使结点内力的精度与位移不相上下，而且这一做法几乎可以直接推广到半解析的有限元线法的二维问题中．本文简要介绍这一最新研究的思路、做法和一些初步的数值结果．     

自适应一致性高阶无单元伽辽金法

近来提出的一致性高阶无单元伽辽金法通过导数修正技术大幅度减少了所需积分点数目,并能够精确地通过线性和二次分片试验,显著改善标准无单元伽辽金法的计算效率、精度和收敛性.本文在此基础之上,充分利用无单元法易于在局部区域添加节点的优势,发展了一致性高阶无单元伽辽金法的h型自适应分析方法.根据应变能密度梯度该方法自适应地确定需节点加密的区域,基于背景积分网格的局部多层细化要求生成新的计算节点,同时考虑了节点分布由密到疏渐进过渡的情形.采用相邻两次计算的应变能的相对误差作为自适应过程的停止准则,将所发展自适应无网格法应用于由几何外形、边界外载和体力等因素造成的应力集中问题的计算分析.数值结果表明,所发展方法能够自适应地对高应力梯度区域进行节点加密,自动给出合理的计算节点分布.与已有的标准无网格法的自适应分析相比,所发展方法在计算效率、精度和应力场光滑性等方面均展现出显著优势.与采用节点均匀分布的一致性高阶无单元伽辽金法相比,它大幅度地减少了计算节点数目,有效提高了一致性高阶无单元伽辽金法在分析应力集中等存在局部高梯度问题时的计算效率和求解精度.     

薄板分析的线性基梯度光滑伽辽金无网格法

薄板问题的控制方程为四阶微分方程,因而当采用伽辽金法进行分析时,形函数需要满足C$^{1}$连续性要求,且至少使用二次基函数才能保证方法的收敛性.无网格形函数虽然易于满足C$^{1}$连续性要求,但由于不是多项式,其二阶导数的计算较为复杂耗时,同时也对刚度矩阵的数值积分提出了更高的要求.本文提出了一种薄板分析的线性基梯度光滑伽辽金无网格法,该方法的基础是线性基无网格形函数的光滑梯度.在梯度光滑构造的理论框架内,无网格形函数的二阶光滑梯度可以表示为形函数一阶梯度的线性组合,因而可以提高形函数二阶梯度的计算效率.分析表明,线性基无网格形函数的光滑梯度不仅满足其固有的线性梯度一致性条件,还满足本属于二次基函数对应的额外高阶一致性条件,因此能够恰当地运用到薄板结构的伽辽金分析.此外,插值误差分析也很好地验证了线性基无网格光滑梯度的收敛特性.算例结果进一步表明,线性基梯度光滑伽辽金无网格法的收敛率与传统二次基伽辽金无网格法相当,但精度更高,同时刚度矩阵所需的高斯积分点数明显减少.      

Moving least squares reconstruction for sharp interface immersed boundary methods

We propose a new approach for reconstructing velocity boundary conditions in sharp-inerface immersed boundary (IB) methods based on the moving least squares (MLS) interpolation method. The MLS is employed to not only reconstruct velocity boundary conditions but also to calculate the pressure and velocity gradients in the vicinity of the immersed body, which are required in fluid structure interaction problems to obtain the force exerted by the fluid on the structure. To extend the method to arbitrarily complex geometries with nonconvex shaped boundaries, the visibility method is combined with the MLS method. The performance of the proposed curvilinear IB MLS (CURVIB-MLS) is demonstrated by systematic grid-refinement studies for two- and three-dimensional tests and compared with the standard CURVIB method employing standard wall-normal interpolation for reconstructing boundary conditions. The test problems are flow in a lid-driven cavity with a sphere, uniform flow over a sphere, flow on a NACA0018 airfoil at incidence, and vortex-induced vibration of an elastically-mounted cylinder. We show that the CURVIB-MLS formulation yields a method that is easier to implement in complex geometries and exhibits higher accuracy and rate of convergence relative to the standard CURVIB method. The MLS approach is also shown to dramatically improve the accuracy of calculating the pressure and viscous forces imparted by the flow on the body and improve the overall accuracy of FSI simulations. Finally, the CURVIB-MLS approach is able to qualitatively capture on relatively coarse grids important features of complex separated flows that the standard CURVIB method is able to capture only on finer grids.     

Neural networks for BEM analysis of steady viscous flows

This paper presents a new neural network‐boundary integral approach for analysis of steady viscous fluid flows. Indirect radial basis function networks (IRBFNs) which perform better than element‐based methods for function interpolation, are introduced into the BEM scheme to represent the variations of velocity and traction along the boundary from the nodal values. In order to assess the effect of IRBFNs, the other features used in the present work remain the same as those used in the standard BEM. For example, Picard‐type scheme is utilized in the iterative procedure to deal with the non‐linear convective terms while the calculation of volume integrals and velocity gradients are based on the linear finite element‐based method. The proposed IRBFN‐BEM is verified on the driven cavity viscous flow problem and can achieve a moderate Reynolds number of 1400 using a relatively coarse uniform mesh. The results obtained such as the velocity profiles along the horizontal and vertical centrelines as well as the properties of the primary vortex are in very good agreement with the benchmark solution. Furthermore, the secondary vortices are also captured by the present method. Thus, it appears that an ability to represent the boundary solution accurately can significantly improve the overall solution accuracy of the BEM. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

Digital Image Correlation Using Stochastic Parallel-Gradient-Descent Algorithm

This article proposes a digital image correlation (DIC) method based on the stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. Stochastic parallel perturbations are imposed on deformation parameters to make the correlation coefficients converge to a global extremum; thus, this allows the final measured values of the deformation parameters to be obtained and the DIC measurement to be made. Both simulated and real data processing, including rigid body and strain deformation, show that the proposed method can achieve nearly the same accuracy as the Newton–Raphson (NR) method in most cases and higher accuracy in some cases, such as the simulated experiments of rigid body translation with and without noise. It also has a good noise-robustness. Furthermore, a series of experiments have been designed to evaluate the convergence characteristics of the proposed method, and it has been proved able to process large displacement and have a stable convergence process, good robustness, and a high convergence speed when bilinear interpolation is adopted.     

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.      

左心室壁局部范围MRI三维有限元应变解析

利用磁共振标记技术对左心室壁进行局部三维有限元应变的分析．在…个心动周期内，分别拍摄24张短轴平面图像和长轴平面图像，然后进行合成，求解出健康人左心室壁上各个位置不同时刻的位移和应变，为临床应用和定量准确地评价心功能提供重要的理论依据．     

基于局部Petrov-Galerkin离散方案的无网格法

基于局部Petrov-Galerkin离散方案,选用自然邻近插值构造试函数,用Shepard函数作为权函数,提出了一种无网格方法(MNNPG),这种方法充分发挥了局部Petrov-Galerkin法的优势,并且结合了自然邻近插值的特点,方便引入边界条件,由于以Shepard函数的圆形支集作为积分子域,用分片中点插值来完成区域积分,无需额外背景网格,是一种真正的无网格法。本文将该无网格方法用于求解二维弹性力学边值问题,算例结果很好地吻合了精确解,表明该方法具有良好的数值精度和稳定性。     

基于Bézier提取的三维等几何分析

等几何分析(IGA)将非均匀有理B样条(NURBS)函数作为有限元形函数,具有几何精确、高阶连续和精度高等优点。与常规有限元法C0连续的形函数不同,高阶IGA基函数不是定义在一个单元上,而是跨越由几个单元组成的参数空间,因而编程复杂且无法嵌入现有的有限元法计算框架及相应算法。本文建立了基于Bézier提取的三维IGA,将NURBS函数分解成伯恩斯坦多项式的线性组合,从而实现把NURBS单元分解为C0连续Bézier单元,这些单元与Lagrange单元相似,使IGA的实现和常规有限元一样,以便将IGA分析嵌入现有的有限元软件中。两个三维算例结果表明,基于Bézier提取的IGA和传统IGA的收敛性和精度相同。