波导本征问题分析的比例边界有限元方法

引入了一种求解波导本征值问题的高效而精确算法-比例边界有限元方法SBFEM (Scaled Boundary Finite Element Method).该方法的一个特点是只需在边界上进行离散,问题降低一维,使计算工作量大大减少;另一特点是所建立的控制方程为二阶常微分方程,可以解析地求解,使计算精度得到了保证.论文利用变分原理并通过比例边界坐标变换,推导了TE波和TM波波导的比例边界有限元频域方程以及波导动剐度方程,同时给出了波导动刚度矩阵的连分式解形式,通过引入辅助变量进一步得出波导特征值方程并求出波导本征值.以矩形、L形波导和叶型加载矩形波导的本征问题分析为例,通过与解析解及其他数值方法比较,结果表明,此方法具有精度高、计算工作量小的优点,而且随着连分式阶数增加收敛速度快.进一步分析了一类角切四脊正方形波导的传输特性.     

基于Hamilton体系的弹性力学问题的比例边界有限元方法

比例边界有限元方法是求解偏微分方程的一种半解析半数值解法。对于弹性力学问题,可采用基于力学相似性、基于比例坐标相似变换的加权余量法和虚功原理得到以位移为未知量的系统控制方程,属于Lagrange体系。但在求解时,又引入了表面力为未知量,控制方程属于Hamilton体系。因而,本文提出在比例边界有限元离散方法的基础上,利...     

状态向量的扩展有限元方法研究

利用哈密顿正则方程的半解析法计算单元位移场和应力场,可以得到精度比较高的解.但此半解析法在计算应力尖峰区域时,该区域要细化网格.当裂纹扩展时,又要重新生成刚度矩阵进行求解,导致求解效率降低.利用扩展有限元处理裂纹的不连续性,当裂纹扩展时可以避免网格的重构.为充分利用状态向量方程和扩展有限元的优势,该文将两者结合起来分析材料的断裂问题:计算应力强度因子和模拟裂纹扩展.最后通过算例分析,验证了该文提出方案的可行性.     

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。     

基于移动相似中心的比例边界有限元方法

在传统的比例边界有限元中,相似中心是固定的,难以用其求解关于偏心域的场问题。本文引入移动相似中心的概念,建立新的比例边界坐标变换,并利用加权余量法将控制方程半弱化为关于径向坐标的二阶常微分方程,引入对偶变量,将其降为系数矩阵为Hamilton矩阵的一阶常微分方程。对Hamilton矩阵进行Schur分解,得到微分方程的通解,代入边值条件可得关于积分常数的代数方程。此方法将比例边界有限元扩展到偏心域的边值问题,同时在径向是半解析的,解的精度高;仅需要离散求解域的一个边界,数据量小;在计算中仅需要对Hamilton矩阵进行Schur分解以及求解关于积分常数的代数方程,运算量少。将偏心环形域静电场边值问题的算例与解析解或其他数值方法计算结果的比较,表明此方法具有精度高、数据量小及运算量小的优点。     

比例边界等几何分析方法Ⅰ:波导本征问题

提出比例边界等几何方法 (scaled boundary isogeometric analysis, SBIGA), 并用以求解波导本征值问题. 在比例边界等几何坐标变换的基础上, 利用加权余量法将控制偏微分方程进行离散处理, 半弱化为关于边界控制点变量的二阶常微分方程, 即 TE 波或 TM 波波导的比例边界等几何分析的频域方程以及波导动刚度方程, 同时利用连分式求解波导动刚度矩阵. 通过引入辅助变量进一步得出波导本征方程. 该方法只需在求解域的边界上进行等几何离散, 使问题降低一维, 计算工作量大为节约, 并且由于边界的等几何离散, 使得解的精度更高, 进一步节省求解自由度. 以矩形和 L 形波导的本征问题分析为例, 通过与解析解和其他数值方法比较, 结果表明该方法具有精度高、计算工作量小的优点.     

线性哈密顿系统的本征摄动法

利用哈密顿算子辛自共轭的特点讨论了保守哈密顿体系的摄动问题,给出了哈密顿矩阵的本征值与本征向量的二阶摄动分析方法。即当系统在哈密顿框架下进行较小修改时,不重复求解大型哈密顿矩阵的本征问题,只需在原系统的模态参数基础上进行模态分析即可,这种矩阵摄动法给出了修改后矩阵的二阶本征值和本征向量,为一般线性保守体系的本征摄动求解提出了一个新方法。     

DYNAMIC ANALYSIS OF BOUNDED DOMAINS BY SBFE AND THE IMPROVED CONTINUED-FRACTION EXPANSION

基于比例边界有限元理论框架,通过采用连分式展开和引入辅助变量,将有限域的动力刚度矩阵和质量矩阵采用高阶的矩阵表示. 采用改进的连分式法求解比例边界有限元方程中的动力刚度矩阵. 通过增加连分式展开的阶数,该求解方法能包含动力分析的主要频率范围. 针对结构自由度较多的系统当连分式阶数逐渐增大时,原连分式算法可能会造成矩阵运算病态的问题,提出采用改进的连分式算法能有效地提高数值计算稳定性.通过对一正八边形的自由振动分析及矩形平面的时域分析,算例结果表明改进算法的鲁棒性更强,适合大规模系统的动力分析.     

裂缝分析的比例边界有限元与有限元耦合的虚拟结构面模型

比例边界有限元法SBFEM(Scaled Boundary Finite Element Method)是一种半解析数值方法,在裂缝分析特别是强度因子计算上具有相当高的精度。本文提出了一种用于裂缝分析的基于虚拟结构面的SBFEM与常规FEM的耦合分析方法。首先选取裂缝周边一定范围的计算域,并将结构分成不含裂缝区域和含裂缝区域两部分。然后,对不含裂缝区域,采用FEM进行网格离散;对含裂缝区域,采用SBFEM进行网格离散;两者相互独立,在这两个域内,分别采用各自相应的位移模式。最后通过在SBFEM网格的外边界设置虚拟耦合结构面的模式,实现有限元网格和比例边界有限元网格的耦合。通过两个经典的含裂缝平板的算例研究,探讨了本文方法在I型开裂和混合型开裂分析中,影响应力强度因子精度的因素。算例表明,SBFEM具有的降维和半解析性质,使本文方法在裂缝分析中的前处理简单易行,且计算结果具有相当高的计算精度。     

结构优化半解析灵敏度及误差修正改进算法

提出结构半解析灵敏度分析及其针对刚体位移的误差修正方法的改进算法, 构建灵敏度分析与误差修正项可分离形式. 该方法实现简便, 数值精度不受摄动步长与单元数目的影响. 首先从总体角度推得静力问题的误差修正半解析灵敏度分析方法, 提出了位移误差修正灵敏度列式, 并给出算法实施途径; 然后将此思路推广于自振频率、屈曲临界载荷问题, 提出了相应的计算步骤. 随后, 给出梁单元与壳单元误差修正项的具体推导方法, 并分别使用两种单元构建有限元模型进行算例测试. 结果表明, 该方法适用于多种分析类型, 数值精度不受单元数目与摄动步长的影响. 由于灵敏度分析与误差修正项可以分开计算, 该方法支持将误差修正项直接叠加于灵敏度求解结果进行误差修正, 使已有灵敏度分析程序得到充分利用. 尤其对于复杂工程结构的优化设计, 特别是形状优化设计以及尺寸、形状混合优化设计, 相比于原误差修正方法, 实现更为简便, 效率有所提升, 能为半解析灵敏度分析方法及其程序实现提供新的思路.      

Transient heat conduction analysis using the NURBS-enhanced scaled boundary finite element method and modified precise integration method

The Non-uniform rational B-spline(NURBS)enhanced scaled boundary finite element method in combination with the modified precise integration method is proposed for the transient heat conduction problems in this paper.The scaled boundary finite element method is a semi-analytical technique,which weakens the governing differential equations along the circumferential direction and solves those analytically in the radial direction.In this method,only the boundary is discretized in the finite element sense leading to a reduction of the spatial dimension by one with no fundamental solution required.Nevertheless,in case of the complex geometry,a huge number of elements are generally required to properly approximate the exact shape of the domain and distorted meshes are often unavoidable in the conventional finite element approach,which leads to huge computational efforts and loss of accuracy.NURBS are the most popular mathematical tool in CAD industry due to its flexibility to fit any free-form shape.In the proposed methodology,the arbitrary curved boundary of problem domain is exactly represented with NURBS basis functions,while the straight part of the boundary is discretized by the conventional Lagrange shape functions.Both the concepts of isogeometric analysis and scaled boundary finite element method are combined to form the governing equations of transient heat conduction analysis and the solution is obtained using the modified precise integration method.The stiffness matrix is obtained from a standard quadratic eigenvalue problem and the mass matrix is determined from the low-frequency expansion.Finally the governing equations become a system of first-order ordinary differential equations and the time domain response is solved numerically by the modified precise integration method.The accuracy and stability of the proposed method to deal with the transient heat conduction problems are demonstrated by numerical examples.     

2D dynamic analysis of cracks and interface cracks in piezoelectric composites using the SBFEM

The dynamic stress and electric displacement intensity factors of impermeable cracks in homogeneous piezoelectric materials and interface cracks in piezoelectric bimaterials are evaluated by extending the scaled boundary finite element method (SBFEM). In this method, a piezoelectric plate is divided into polygons. Each polygon is treated as a scaled boundary finite element subdomain. Only the boundaries of the subdomains need to be discretized with line elements. The dynamic properties of a subdomain are represented by the high order stiffness and mass matrices obtained from a continued fraction solution, which is able to represent the high frequency response with only 3–4 terms per wavelength. The semi-analytical solutions model singular stress and electric displacement fields in the vicinity of crack tips accurately and efficiently. The dynamic stress and electric displacement intensity factors are evaluated directly from the scaled boundary finite element solutions. No asymptotic solution, local mesh refinement or other special treatments around a crack tip are required. Numerical examples are presented to verify the proposed technique with the analytical solutions and the results from the literature. The present results highlight the accuracy, simplicity and efficiency of the proposed technique.     

特征值问题的边界形状灵敏度

研究连续系统振动特征值问题的边界形状灵敏度满足什么方程和边界条件,如何离散化作近似计算结果表明：如果采用相同的有限单元剖分模式,边界形状灵敏度方程和特征值问题方程具有相同的系数矩阵,但前者是非齐次方程,后者是齐次方程;前者需要施加非齐次边界条件,后者施加齐次边界条件。     

三维势流场的比例边界有限元求解方法

比例边界有限元法(SBFEM)是线性偏微分方程的一种新的数值求解方法。该方法只对计算域边界利用Galerkin方法进行数值离散,相对于有限元方法(FEM)减少了一个空间坐标的维数,而在减少的空间坐标方向利用解析方法进行求解;相对于边界元法(BEM),比例边界有限元方法不需要基本解,避免了奇异积分的计算,所以它结合了有限元和边界元方法的优点。本文建立了利用比例边界有限元法求解三维Laplace方程的数值模型并用于计算三维物体周围的水流场,将计算结果与解析解和边界元方法进行了对比,结果表明此方法可以很好地模拟水流场,且具有较高的计算精度。     

反平面断裂问题的无单元伽辽金比例边界法

将比例边界法与无单元伽辽金法相结合,建立了反平面断裂分析的无单元伽辽金比例边界法。这是一种边界型无网格法,在环向方向上采用无单元伽辽金法进行离散,因此计算时仅需要边界上的节点信息,不需要边界元所要求的基本解。为了便于施加本质边界条件,通过建立节点值和虚拟节点值之间的关系给出了修正的移动最小二乘形函数。在径向方向上,该方法利用解析的方法求解,因此是一种半解析的数值方法。最后,给出了数值算例,并验证了所提方法后处理简单和计算精度高的特点,适合于求解反平面断裂问题。     

基于比例边界有限元法的高阶透射边界应用

基于比例边界有限元法和连分式展开推导了无限域弹性动力分析的求解方程,实现了一种局部的高阶透射边界. 采用改进的连分式法求解无限域的动力刚度矩阵,克服了原连分式算法可能会造成矩阵运算病态的问题. 该局部高阶透射边界在时域里表示为一阶常微分方程组,其稳定性取决于其系数矩阵的广义特征值问题. 如果出现虚假模态,采用移谱法来校正系数矩阵以消除虚假模态. 通过两个算例验证了该高阶透射边界的精确性、鲁棒性.     

Eigenproblems of two-dimensional acoustic cavities with smoothly varying boundaries by using the generalized multipole method

This paper presents a semi-analytical approach to solve the eigenproblem of a two-dimensional acoustic cavity with smoothly varying boundaries. The multipole expansion for the acoustic pressure is formulated in terms of Bessel and Hankel functions to satisfy the Helmholtz equation in the polar coordinate system. Rather than using the addition theorem, the multipole method and directional derivative are both combined to propose a generalized multipole method in which the acoustic pressure and its normal derivative with respect to non-local polar coordinates can be calculated. The boundary conditions are satisfied by uniformly collocating points on the boundaries. By truncating the multipole expansion, a finite linear algebraic system is acquired. The direct searching approach is applied to identify the natural frequencies using the singular value decomposition technique. Several numerical examples are presented, including those of an annulus cavity, a confocal elliptical annulus cavity and an arbitrarily shaped cavity with an inner elliptical boundary. The accuracy and numerical convergence of the proposed method are validated by comparison with results of the available analytical method and the commercial finite-element code ABAQUS. No spurious eigensolutions are found in the proposed formulation. Due to its semi-analytical character, excellent accuracy and fast rate of convergence are the main features of the proposed method.