快速多极虚边界元法对含圆孔薄板有效弹性模量的模拟分析

针对虚边界元法,引入快速多极展开和广义极小残值法(GMRES)的思想,以形成快速多极虚边界元法的求解思想,并将此方法用于含圆孔薄板有效弹性模量的模拟分析.由于本文方法采用了"源点"多极展开和"场点"局部展开的组合处理方案,从而使得原问题方程组求解的计算耗时量和储存量降至与所求问题的计算自由度数成线性比例.本文工作的研究目的在于:提高虚边界元法在普通台式机上的运算能力和拓宽虚边界元法对大规模复杂问题的求解(或数值模拟).文中给出了均布圆孔的正方形薄板和之字形分布圆孔薄板二个算例,以验证该方法的可行性,计算精度和计算效率.     

二维弹性新型快速多极虚边界元的最小二乘法

在虚边界元最小二乘法的方程求解中采用新型的快速多极展开和广义极小残值法,提出了一种二维弹性新型快速多极虚边界元最小二乘法的求解思想。基于二维弹性问题原有的快速多极虚边界元最小二乘法的展开格式,通过引入对角化的概念,以更新展开传递格式;相对于原有快速多极算法,该方法可进一步提高计算效率且仍能保证具有较高的计算精度。数值算例说明了该方法的可行性、计算效率、计算精度均较高。     

基于自适应交叉近似边界元法的快速声学灵敏度分析

基于自适应交叉近似边界元法构造一组快速声学灵敏度分析方法,其中,声学灵敏度分析分别采用直接微分法和伴随变量法;而自适应交叉近似算法被用以克服常规边界元法的高计算量和高存储量的固有缺点。自适应交叉近似算法在迭代求解之前对边界元系数矩阵进行压缩存储,可以在降低存储量的同时提高求解效率。在声学灵敏度分析中,通过直接使用求解未知边界状态值时保存的压缩系数矩阵,可以进一步提高求解效率。数值算例验证了所构造的方法的计算精度和求解效率,以及在大规模声场问题的最优化分析中的应用潜力。     

大规模边界元模态分析的高效数值方法

随着大规模快速边界元计算技术的发展,在复杂结构的动态设计、振动与噪声分析中愈来愈多地采用边界元法,因此求解大规模边界元特征值问题、进行复杂结构和声场模态分析,成为工程应用中一个十分重要,但却极具挑战性的课题,目前国际上还没有十分有效的数值方法.本文针对边界元法中典型的非线性特征值问题,提出了一种通用、高效的数值解法,称为基于预解矩阵采样的Rayleigh-Ritz投影法,记为RSRR.首先,通过求解一系列频域边界元问题来构造特征向量搜索空间,进而可以采用Rayleigh-Ritz投影,将原问题转化为一个可以采用现有方法求解的小规模缩减特征值问题;其次,为了降低Rayleigh-Ritz投影过程的计算量,基于解析函数的Cauchy积分公式,构造了边界元系数矩阵的插值近似方法,以及缩减特征值问题系数矩阵的快速计算方法,给出了插值项数的估计策略;最后,将RSRR与声学快速边界元法结合,应用于大规模吸声结构的复模态分析.数值算例表明,RSRR方法能够可靠地求出给定频段内的全部特征值和特征向量,具有计算效率高、精度高、通用等优点.     

HC轧机辊间接触与辊系变形的Taylor级数多极边界元数学规划解析

分析HC轧机辊间接触分布和辊系弹性变形对于改善辊间压力分布状态,减少轧故褂檬倜案纳瓢逍畏浅Ｖ匾?醯捎诩扑懔亢艽?使用传统数值方法(有限元法或边界元法)分析辊间接触和辊系变形是非常困难的.本文描述了一种基于点-面接触模型的三维弹性接触Taylor级数多极边界元法,给出了数学规划解析方法,适合大规模弹性接触问题的求解....     

任意支承条件下连续板系结构的有限板块解法

本文基于薄板小挠度弯曲理论，构造出板元内部解析，边界挠度和边界法向弯矩以带补充项的付氏级数逼近，同时考虑域内多点支承作用的板元位移函数，给出了一处适用于任意支承条件下连续板系结构的有限板块法求解格式。数值计算结果表明：本文的方法具有良好的计算精度和计算效率，适于工程应用。     

三维高频声波的矩阵压缩边界节点法模拟

本文采用边界节点法(Boundary Knot Method, BKM)求解三维高频声场．由于高频赫姆霍兹方程的解是振荡的，极大影响了数值求解的精确度，需要在计算区域增加离散点，这会增加计算量．同时对于大规模声学问题，依靠边界节点法形成的插值矩阵为满秩，导致计算量过高和存储量过大．所以本文采用矩阵压缩技术(Matrix Compression, MC)，在有效继承边界节点法高精确度的基础上减少计算内存需求和时间，从而提高计算效率．数值实验表明，MC-BKM 求解精度高、收敛速度快、计算时间少，在高频大规模声波问题中应用前景广泛．     

边界元和激光散斑的子域杂交法

本文将计算力学的边界元法和实验力学的激光散斑法相结合用于求解受力物体的应力应变场。即用实验提供变形物体的真实边界条件,用数值方法进行求解。文中定义了虚边界的概念,并进一步提出了子域杂交法。同单纯数值计算和实验分析相比较,本文提出的方法无需构造力学模型,因而具有简单、可靠的特点,并可以更好地应用于实际问题。     

基于虚拟激励法的结构随机振动声辐射分析

本文基于有限元法、边界元法和虚拟激励法，对随机激励下结构振动声辐射问题进行研究。提出了一种计算随机激励下结构振动声辐射问题的新方法，其中，有限元法用于计算结构谐振响应，边界元法用于计算结构振动声辐射，虚拟激励法结合有限元和边界元计算随机激励下结构振动声辐射问题。 数值算例表明，本文方法在计算精度上与传统方法等价，且更具高效性。     

二维正交各向异性位势问题的高阶单元快速多极边界元法

研制了一种适用于二维正交各向异性位势问题的高阶单元(线性单元和二次单元)快速多极边界元法. 在快速多极边界元法中, 源点对于远场区域的积分采用快速多极展开式计算, 而对于近场区域的积分则直接进行计算. 高阶单元的使用使得近场积分, 尤其是奇异积分和几乎奇异积分的计算更加复杂. 通过引入复数表达对其进行简化, 若边界采用线性单元插值, 近场积分可直接解析计算; 若采用二次单元插值, 则给出一个半解析算法计算近场积分. 高阶单元奇异积分和几乎奇异积分计算难题的解决, 使得高阶单元快速多极边界元法不仅能够计算一般结构, 也能被应用于超薄体结构, 拓宽了高阶单元快速多极边界元法的适用范围. 数值算例表明, 若计算精度一定, 高阶单元快速多极边界元法较常值单元快速多极边界元法使用的单元数量显著减少, 且高阶单元快速多极边界元法计算时间与自由度数量成线性关系, 其计算效率仍处于$O(N)$量级, 因此高阶单元快速多极边界元法可更加高效求解大规模问题.      

Application of a new fast multipole BEM for simulation of 2D elastic solid with large number of inclusions

A fast multipole method (FMM) is applied for BEM to reduce both the operation and memory requirement in dealing with very large scale problems. In this paper, a new version of fast multipole BEM for 2D elastostatics is presented and used for simulation of 2D elastic solid with a large number of randomly distributed inclusions combined with a similar subregion approach. Generalized minimum residual method (GMRES) is used as an iterative solver to solve the equation system formed by BEM iteratively. The numerical results show that the scheme presented is applicable to certain large scale problems. The project supported by the National Nature Science Foundation of China (10172053) and the Ministry of Education     

PROGRAM-PATTERN MULTIPOLE BOUNDARY ELEMENT METHOD FOR FRICTIONAL CONTACT

A mathematical program is proposed for the highly nonlinear problem involving frictional contact. A program-pattern using the fast multipole boundary element method (FMBEM) is given for 3-D elastic contact with friction to replace the Monte Carlo method. A newoptimized generalized minimal residual (GMRES) algorithm is presented. Numerical examples demonstrate the validity of the program-pattern optimization model for node-to-surface contact with friction. The GMRES algorithm greatly improves the computational efficiency.     

三维弹性问题Taylor展开多极边界元法的误差分析

Taylor展开多极边界元法有效的提高了边界元法的求解效率,使之可用于大规模问题的计算。然而,由于计算中对基本解进行了Taylor级数展开,与传统边界元方法相比计算精度有所下降。本文主要针对三维弹性问题Taylor展开多极边界元法的计算精度和误差进行研究。文中对两种方法的计算精度进行了比较;研究了核函数的Taylor展开性质;推导了三维弹性问题基本解的误差估计公式;给出了Taylor展开多极边界元法中远近场的划分原则。通过具体的算例,证明了该方法的正确性和误差估计公式的有效性,说明了影响Taylor展开多极边界元法求解精度的因素。     

A HIGH ORDER KERNEL INDEPENDENT FAST MULTIPOLE BOUNDARY ELEMENT METHOD FOR ELASTODYNAMICS

基于核无关的快速多极方法, 发展了一种弹性动力学问题的快速、高精度边界元分析方法. 采用基于二次曲面单元的Nyström 离散, 将边界积分方程转化为求和形式, 可以方便地进行加速计算;由于采用二次元, 边界元分析精度很高. 将一种新型快速多极方法用于Nyström 边界元法的加速计算, 该方法的数值实现简便、不依赖于积分方程基本解的表达式, 因此通用性很好;该方法还具有最优的计算量和存储量、精度高且可以控制. 结合Nyström 边界元系数矩阵和快速多极方法转换矩阵的特点, 提出一种大幅度降低边界元内存消耗的策略. 数值结果表明, 该方法无论在分析精度, 还是计算速度和内存消耗上, 都大大优于同类方法, 是一种快速、通用的工程弹性动力学问题大规模数值分析方法.     

弹性动力学高阶核无关快速多极边界元法

基于核无关的快速多极方法, 发展了一种弹性动力学问题的快速、高精度边界元分析方法. 采用基于二次曲面单元的Nystr?m 离散, 将边界积分方程转化为求和形式, 可以方便地进行加速计算;由于采用二次元, 边界元分析精度很高. 将一种新型快速多极方法用于Nystr?m 边界元法的加速计算, 该方法的数值实现简便、不依赖于积分方程基本解的表达式, 因此通用性很好;该方法还具有最优的计算量和存储量、精度高且可以控制. 结合Nystr?m 边界元系数矩阵和快速多极方法转换矩阵的特点, 提出一种大幅度降低边界元内存消耗的策略. 数值结果表明, 该方法无论在分析精度, 还是计算速度和内存消耗上, 都大大优于同类方法, 是一种快速、通用的工程弹性动力学问题大规模数值分析方法.      

Wideband fast multipole boundary element method: Application to acoustic scattering from aerodynamic bodies

A wideband adaptive multi‐level fast multipole method (MLFMM) is used to accelerate the matrix–vector products arising from a boundary element method (BEM) formulation which solves the Burton–Miller boundary integral equation (BIE). The wideband MLFMM presented here applies a plane wave expansion formulation with fast interpolation and filtering for calculations in the high‐frequency regime and a partial wave expansion formulation with rotation‐coaxial translation in the low‐frequency regime. The iterative solvers GMRES, Bi‐CGSTAB and CGS are tested and compared and a block diagonal preconditioner is used to improve the condition number of the BEM matrices and to accelerate the convergence of the iterative solvers. Details on the implementation of the formulations are described, including the treatment of singular integrals. Results for acoustic scattering from a wing plus engine nacelle configuration for a prescribed source in a subsonic uniform flow are presented for a broad range of frequencies in order to assess the implemented capability. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

A wideband fast multipole boundary element method for half-space/plane-symmetric acoustic wave problems

This paper presents a novel wideband fast multipole boundary element approach to 3D half-space/planesymmetric acoustic wave problems.The half-space fundamental solution is employed in the boundary integral equations so that the tree structure required in the fast multipole algorithm is constructed for the boundary elements in the real domain only.Moreover,a set of symmetric relations between the multipole expansion coefficients of the real and image domains are derived,and the half-space fundamental solution is modified for the purpose of applying such relations to avoid calculating,translating and saving the multipole/local expansion coefficients of the image domain.The wideband adaptive multilevel fast multipole algorithm associated with the iterative solver GMRES is employed so that the present method is accurate and efficient for both lowand high-frequency acoustic wave problems.As for exterior acoustic problems,the Burton-Miller method is adopted to tackle the fictitious eigenfrequency problem involved in the conventional boundary integral equation method.Details on the implementation of the present method are described,and numerical examples are given to demonstrate its accuracy and efficiency.     

A parallel fast multipole BEM and its applications to large-scale analysis of 3-D fiber-reinforced composites

In this paper, an adaptive boundary element method (BEM) is presented for solving 3-D elasticity problems. The numerical scheme is accelerated by the new version of fast multipole method (FMM) and parallelized on distributed memory architectures. The resulting solver is applied to the study of representative volume element (RVE) for short fiber-reinforced composites with complex inclusion geometry. Numerical examples performed on a 32-processor cluster show that the proposed method is both accurate and efficient, and can solve problems of large size that are challenging to existing state-of-the-art domain methods.The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10472051).The English text was polished by Yunming Chen.