一种基于面-面局部搜索的接触算法

接触-碰撞算法是影响动态接触问题数值分析精度的重要因素,发展健壮、精确的局部搜索算法对提高数值模拟精度具有重要意义。为解决点-面接触搜索算法存在的盲区问题,提出了一种基于面-面的局部搜索算法,并发展了相应的接触力计算方法。新的接触算法以面心坐标与特征长度表征接触片,进行预搜索快速排除不会发生接触的潜在接触对;利用主从接触片的投影与侵入深度关系确定接触片间的接触状态;利用等参逆变换解析给出接触点,避免了方程组的迭代求解。典型算例与工程实例计算表明,本文算法消除了接触搜索的盲区,具有很好的健壮性与计算精度。     

一类针对高阶单元接触搜索算法：系统搜索算法

提出一类基于非线笥约束优化理论的高副搜索算法。通用的一些接触搜索算法一般针对低阶单元,它们具有较高的计算效率,但不适应于高阶单元。随着工整中对计算精度要求不断提高,高阶单元逐步被引入到接触问题计算程序中。因此,给出针对亢介单元而人有与现有的低阶算法相比扩计算效率的接触索算法具有现实意义,本文采用系统索方法和非线性约束优化理论,建立一种高阶单元接触点副搜索算法。计算表明,本算法具有较高的计算疚和良好     

一种基于面-面局部搜索的接触算法

接触-碰撞算法是影响动态接触问题数值分析精度的重要因素,发展健壮、精确的局部搜索算法对提高数值模拟精度具有重要意义。为解决点-面接触搜索算法存在的盲区问题,提出了一种基于面-面的局部搜索算法,并发展了相应的接触力计算方法。新的接触算法以面心坐标与特征长度表征接触片,进行预搜索快速排除不会发生接触的潜在接触对;利用主从接触片的投影与侵入深度关系确定接触片间的接触状态;利用等参逆变换解析给出接触点,避免了方程组的迭代求解。典型算例与工程实例计算表明,本文算法消除了接触搜索的盲区,具有很好的健壮性与计算精度。     

基于八叉树的全局接触搜索算法研究

接触搜索是接触-碰撞问题有限元模拟中最为耗时的部分,高效的接触搜索算法是提高数值分析效率的关键。以面心坐标和特征长度表征接触主片,并引入树包围盒和从节点包围盒的概念,基于八叉树算法发展了一种高效的全局接触搜索方法,计算复杂度为O(Nlog8M),其中N为从节点数,M为接触主片数。程序实现时,通过引入接触预搜索和相邻搜索方式加速搜索速度。本文算法基于PANDA-Impact软件实现,并进行了算例验证分析。结果表明,本文算法具有很好的接触搜索效率与适用性,与桶排序算法相比,当接触复杂且规模较大时,本文算法表现出较大的优势。     

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。     

考虑等效曲率的超二次曲面单元非线性接触模型

基于连续函数包络的超二次曲面单元可有效地描述自然界和工业生产中的非球体颗粒形态,并通过非线性迭代方法精确计算单元间的接触力.对于具有复杂几何形态的超二次曲面单元,线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力.考虑超二次曲面单元相互作用时不同颗粒形状及表面曲率的影响,本文发展了相应的非线性黏弹性接触模型.该模型将不同接触模式下的法向刚度和黏滞力统一表述为单元间局部接触点处等效曲率半径的函数;切向接触作用则借鉴基于Mohr-Coulomb摩擦定律的球体单元非线性接触模型的计算方法.为检验超二次曲面单元接触模型的可靠性,对球形颗粒间的法向碰撞、椭球体颗粒间的斜冲击过程、圆柱体的静态堆积和椭球体的动态卸料过程进行离散元模拟,并与有限元数值结果及试验结果进行对比验证.计算表明,考虑接触点处等效曲率半径的超二次曲面非线性接触模型可准确地计算单元间的接触碰撞作用,并合理地反映非球形颗粒体系的运动规律.在此基础上进一步分析了不同长宽比和表面尖锐度对卸料过程中颗粒流动特性的影响,为非球形颗粒材料的流动特性分析提供了一种有效的离散元方法.     

考虑等效曲率的超二次曲面单元非线性接触模型

基于连续函数包络的超二次曲面单元可有效地描述自然界和工业生产中的非球体颗粒形态, 并通过非线性迭代方法精确计算单元间的接触力. 对于具有复杂几何形态的超二次曲面单元, 线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力. 考虑超二次曲面单元相互作用时不同颗粒形状及表面曲率的影响, 本文发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该模型将不同接触模式下的法向刚度和黏滞力统一表述为单元间局部接触点处等效曲率半径的函数; 切向接触作用则借鉴基于Mohr-Coulomb摩擦定律的球体单元非线性接触模型的计算方法. 为检验超二次曲面单元接触模型的可靠性, 对球形颗粒间的法向碰撞、椭球体颗粒间的斜冲击过程、圆柱体的静态堆积和椭球体的动态卸料过程进行离散元模拟, 并与有限元数值结果及试验结果进行对比验证. 计算表明, 考虑接触点处等效曲率半径的超二次曲面非线性接触模型可准确地计算单元间的接触碰撞作用, 并合理地反映非球形颗粒体系的运动规律. 在此基础上进一步分析了不同长宽比和表面尖锐度对卸料过程中颗粒流动特性的影响, 为非球形颗粒材料的流动特性分析提供了一种有效的离散元方法.      

非概率区间模型可靠性指标的梯度投影算法

考虑不确定参数为区间变量,研究求解非概率可靠性指标的有效搜索算法.基于函数梯度法的基本思想,构造搜索方向,建立迭代算法格式,将传统的用于概率可靠性分析的梯度投影法用于非概率可靠性指标的求解.当收敛点为非最可能失效点时,提出了空间降维算法,并给出了整个搜索算法的计算步骤.通过数值算例,验证了本文提出的搜索迭代算法的有效性和正确性.     

接触-碰撞算法研究进展

接触-碰撞广泛存在于实际工程问题中,是影响数值计算效率与计算精度的重要因素。本文针对变形体间接触-碰撞问题的显式有限元计算,介绍接触-碰撞算法近30年来取得的主要进展。首先,简要介绍接触-碰撞问题的界面离散模型;然后,从全局接触搜索、局部搜索、接触约束施加以及接触计算的并行化四方面详细阐述目前主要算法的基本思想与特点,并分析其优势与不足;最后,对接触-碰撞算法相关研究方向给出建议。     

光滑曲面点接触的理想约束推导

分析力学在讲述形状光滑的两刚性面保持点接触时,如果无摩擦或者纯滚动,使用了两个接触点的可能微小位移在接触点法向分量相等,或者接触点的相对速度为零的条件推导出接触为理想约束。本文从两曲面保持点接触时满足共点和相切的几何条件出发,获得这一结论,前提条件更加明确。     

A contact searching algorithm for contact-impact problems

A new contact searching algorithm for contact-impact systems is proposed in this paper. In terms of the cell structure and the linked-list, this algorithm solves the problem of sorting and searching contacts in three dimensions by transforming it to a retrieving process from two one-dimensional arrays, and binary searching is no longer required. Using this algorithm, the cost of contact searching is reduced to the order ofO(N) instead ofO(Nlog₂ N) for traditional ones, whereN is the node number in the system. Moreover, this algorithm can handle contact systems with arbitrary mesh layouts. Due to the simplicity of this algorithm it can be easily implemented in a dynamic explicit finite element program. Our numerical experimental result shows that this algorithm is reliable and efficient for contact searching of three dimensional systems. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (59875045), and the State Key Laboratory of Automobile Safety and Energy Saving (K9705)     

岩质圆形隧洞围岩应力场弹塑性新解

针对动态接触问题的有限元并行计算，提出了一种新的接触算法. 新算法引入局部拉氏 乘子技术来计算接触力. 由于同时考虑了无穿透的接触约束条件和相邻接触对的相互影响， 较之广泛使用的罚参数法，新算法使接触约束条件和系统平衡方程得到更充分的满足. 虽然 为提高接触计算精度而在局部采用了迭代技术，但算法仍然具有较高的效率，且与显式时间 积分方案完全相容. 此外，通过构造专门的区域分解方案，实现了将现有为串行程序开发的 搜索算法平滑移植到并行环境的目标. 数值算例表明，所提出的接触算法具有很好的并行性， 在保证了接触问题并行计算精度的同时，取得了满意的并行效率.     

Validation and application of three-dimensional discontinuous deformation analysis with tetrahedron finite element meshed block

In the last decade, three dimensional discontinuous deformation analyses (3D DDA) has attracted more and more attention of researchers and geotechnical engineers worldwide. The original DDA formulation utilizes a linear displacement function to describe the block movement and deformation, which would cause block expansion under rigid body rotation and thus limit its capability to model block deformation. In this paper, 3D DDA is coupled with tetrahedron finite elements to tackle these two problems. Tetrahedron is the simplest in the 3D domain and makes it easy to implement automatic discretization, even for complex topology shape. Furthermore, element faces will remain planar and element edges will remain straight after deformation for tetrahedron finite elements and polyhedral contact detection schemes can be used directly. The matrices of equilibrium equations for this coupled method are given in detail and an effective contact searching algorithm is suggested. Validation is conducted by comparing the results of the proposed coupled method with that of physical model tests using one of the most common failure modes, i.e., wedge failure. Most of the failure modes predicted by the coupled method agree with the physical model results except for 4 cases out of the total 65 cases. Finally, a complex rockslide example demonstrates the robustness and versatility of the coupled method.     

A local search algorithm for natural neighbours in the natural element method

A local basis algorithm for searching natural neighbours in Natural Element Method (NEM) is presented for solving the elasticity problems in this paper. Comparison with the global sweep algorithm used in natural element method or Natural Neighbour Method (NNM) for searching natural neighbours, the proposed algorithm is more expedient and convenient in the constructions and computation of natural neighbour interpolations. In the proposed NEM based on local search, the Laplace (non-sibson) interpolations are constructed with respect to the natural neighbour nodes of the given point which have been locally defined. The shape functions from the Laplace approximations have the delta function property and the Laplace interpolants are strictly linear between adjacent nodes, which facilitate imposition of essential boundary conditions and treatment of material discontinuity with ease as it is in the conventional finite element method. The Laplace interpolants derived from the local algorithm and the global algorithm in NEM are identical because of the uniqueness of the Voronoi diagram. Numerical results and convergence studies also show that the present NEM based on local search algorithm possesses the same accuracy and rate of convergence as they are in previous NEM.     

A structured tri-tree search method for generation of optimal unstructured finite element grids in two and three dimensions

A new method for generating finite element grids in two and three dimensions is developed. The method is based on a new search tree structure. The search tree is built upon triangles in two dimensions and tetrahedra in three dimensions. The density of elements can be varied throughout the computational domain. Efficient search algorithms for finding points in space and for finding the boundary of the domain have been developed. The speed of the grid algorithm will permit adaptive gridding during computation. The grid algorithm is generally applicable to both hydrodynamic as well as aerodynamic finite element computations. The technique has been used with success for gridding the North Sea-Skagerrak area.     

工程结构优化的进化策略-高斯过程协同优化方法

针对采用仿生全局优化方法进行复杂工程结构优化时数值计算量浩大导致的计算代价过高的公开问题,将自适应协方差矩阵进化策略(CMAES)全局优化算法、高斯过程(GP)机器学习技术与有限元方法相结合,提出了基于自适应协方差矩阵进化策略-高斯过程协同优化算法(CMAES-GP)的结构优化方法。该方法利用全局寻优性好且寻优效率高的CMAES算法进行全局最优搜索,当搜索进入局部寻优阶段时,采用回归性能优秀的GP模型对适应度函数进行动态拟合,进而利用GP模型替代有限元分析进行个体适应度评价,以减小局部寻优阶段的有限元重分析次数,从而实现有效降低工程结构优化计算代价的目的。算例研究表明,与传统结构优化方法相比较,本文方法具有全局性好、计算效率高的优点。     

SPH-FEM接触算法在冲击动力学数值计算中的应用

为了充分发挥光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)易于处理大变形以及有限元(Finite Element Method,FEM)计算精度和效率高的优势,论文基于无网格粒子接触算法,在有限元节点处设置背景粒子,通过接触力的方式计算SPH粒子和有限单元之间的接触问题...