高质量点集的快速局部网格生成算法

高效及高质量的局部网格生成算法是基于节点有限元并行方法设计的关键。泡泡布点算法能够在复杂区域上不经过人工干预生成高质量的节点集,本文提出了基于该方法所生成的节点集的快速局部网格生成算法。该算法充分利用泡泡布点方法提供的节点集及节点邻接链表信息,避免了桶数据结构的建立以及节点的局部搜索过程,只需应用Delaunay三角剖分的外接圆准则从中心节点的邻接链表中去除极少数的非卫星点,可快速地生成局部网格,比现有的局部网格生成算法更为快捷。算例结果表明,该算法高效可靠,生成网格与Delaunay三角剖分网格一致。     

复合材料层合板自由振动分析的无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法

基于一阶剪切变形理论,提出了复合材料层合板自由振动分析的无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法。计算时在复合材料层合板中面上仅需要布置一系列的离散节点,并利用这些节点构建插值函数。在板中面上的局部多边形子域上,采用加权余量法建立复合材料层合板自由振动分析的离散化控制方程,并且这些子域可由Delaunay三角形方便创建。自然邻接点插值形函数具有Kronecker delta函数性质,因而无需经过特别处理就能准确地施加本质边界条件。对不同边界条件、不同跨厚比、不同材料参数和不同铺设角度的复合材料层合板,由本文提出的无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法进行自由振动分析时均可得到满意的结果。数值算例结果表明,本文方法求解复合材料层合板的自由振动问题是行之有效的。     

一种新的准结构网格生成方法

在有限元分析中，高质量的结构网格可以有效地提高有限元分析的精度，但结构网格的几何适应性差，针对复杂边界的二维计算模型，现有的方法很难自动生成高质量的结构网格；而非结构网格几何适应性很好，但存在计算效率低和精度差等问题。提出了一种新的准结构网格生成方法，能够实现复杂区域的网格自动生成并且具有高网格质量。该方法首先对计算区域运用Delaunay三角剖分技术生成粗背景网格；然后利用背景网格，使用优化的Voronoi图生成过渡的蜂巢网格；最后，通过中心圆方法对蜂巢网格单元进行结构网格剖分。分析NACA0012翼型数值模拟结果表明，提出的新准结构网格生成方法能够对边界复杂的模型自动生成高质量的网格，并且通过三种不同拓扑类型网格计算结果相互对比及与实验结果对比，证明准结构网格具有高计算精度。     

适应复杂外形的三维粘性混合网格生成算法

提出一类适应复杂外形的粘性混合网格生成算法。表面网格由前沿推进三角形曲面网格程序获得,边界层布置各向异性的三棱柱体网格,远物面区域采用Delaunay方法生成四面体网格。针对模型的复杂几何特征,综合采用了各种网格处理技术,以保证边界层网格的质量,并避免算法失效问题。网格实例及计算结果表明了本文算法的实用性及和效性。     

基于背景网格变形的动态网格移动方法

基于Delaunay背景网格插值技术的动态网格生成方法无需迭代计算,效率较高。但对复杂构形大幅运动的动边界问题,尤其当边界大幅转动时,背景网格极易交叉重叠。重新生成背景网格和重新定位网格节点信息不仅费时而且会导致网格质量的严重下降。本文提出改进的基于背景网格的动态网格变形方法,通过在初始Delaunay背景网格中添加辅助点,生成一层新的背景网格和新的映射关系;采用ball-vertex弹簧法驱动新背景网格的变形,进而牵动目标网格的变形。算例表明,本文提出的动态网格变形方法对所关心区域的网格具有良好保形性,边界可转动更大角度而不会出现网格交叉重叠问题,总体上提高了动态网格更新的效率和质量。     

SPH方法Delaunay三角刨分与自由液面重构

光滑粒子法(SPH)作为一种拉格朗日型无网格方法,兼具欧拉网格方法和拉格朗日网格方法的优势,已经成功应用于科学和工程的众多领域。SPH方法后处理一般基于无规则分布的粒子,不如网格类方法后处理简便、直接。另外,SPH方法模拟自由液面流动等问题时,通过粒子位置难以重构自由液面的准确位置。发展一种基于Delaunay三角刨分的SPH后处理方法,即先基于SPH粒子位置利用Delaunay三角刨分建立三角网格,然后将粒子信息转化成网格单元/节点信息,从而可以在三角网格上进行后处理,实现基于网格方法的后处理功能,并可以在三角网格上直接提取或重构自由液面。将本文的方法应用到液滴碰撞和溃坝流SPH模拟结果的后处理中,得到了非常好的结果,表明本文的方法有效可靠。     

一种新的准结构网格生成方法

在有限元分析中,高质量的结构网格可以有效地提高有限元分析的精度,但结构网格的几何适应性差,针对复杂边界的二维计算模型,现有的方法很难自动生成高质量的结构网格;而非结构网格几何适应性很好,但存在计算效率低和精度差等问题。提出了一种新的准结构网格生成方法,能够实现复杂区域的网格自动生成并且具有高网格质量。该方法首先对计算区域运用Delaunay三角剖分技术生成粗背景网格;然后利用背景网格,使用优化的Voronoi图生成过渡的蜂巢网格;最后,通过中心圆方法对蜂巢网格单元进行结构网格剖分。分析NACA0012翼型数值模拟结果表明,提出的新准结构网格生成方法能够对边界复杂的模型自动生成高质量的网格,并且通过三种不同拓扑类型网格计算结果相互对比及与实验结果对比,证明准结构网格具有高计算精度。     

用逐点插入法生成Delaunay四面体自适应网格

介绍一种基于Delaunay算法的四面体自适应网格的自动划分方法。该方法用单元尺度场控制生成网格的疏密分布,在不满足尺度场要求的单元面形心处插入新节点,同时计算新节点单元尺寸参数,实现三维实体的Delaunay四面体自动划分。此方法具有几个特点:一是表面网格与体内网格同步划分,无需区分两者;二是结点与单元同时生成;三是生成网格自适应性好,疏密分布任意。另外,还介绍了三维网格划分中两个相关算法:一个是约束面恢复算法,该算法基于约束面不允许有单元边与之相交的性质而提出的;另一个是将二维射线法推广至三维空间,判断一个点是否在一多面体内,实现了凹多面体的划分。最后通过算例对单元质量进行了评价。本文所述方法是一种有效的四面体自适应单元生成算法。     

应力高梯度问题的无网格分析

基于移动最小二乘法的无网格计算，采用线性基函数即可得到C^1连续位移场，使得应力，应变场在整个求解域内保持连续；节点之间脱离了单元的约束，对求解域进行离散和加密节点时变得十分灵活，因此适合分析应力高梯度问题。本文简要介绍了无网格方法的基本原理，给出了确定节点影响域大小的方法，应用无网格方法对带有V型缺口的受拉方板J23-10曲柄压力机机身进行了受力分析，得到的应力集中部位的计算结果与实际值更为接近。     

基于Voronoi cells的二维不规则自适应网格的生成及其应用

基于Voronoi cells的数据结构和算法，给出了一种二维不规则自适应网格的生成方法，用VisualC＋＋语言在微机上开发了Windows环境下网格自动生成的可视化软件。既可以得到Voronoi cells网格，也可得到相应的Delaunay triangles网格，网格生成的实例表明，本文方法所得到的网格非常适合于多尺度系统的流动问题的计算，具有较好的应用前景。     

平面裂纹问题的h, p, hp型自适应无网格方法的研究

无网格方法以其独特的优点：不需“网格”（即节点间的连接信息）划分,特别适合自适应的分析,在分析中只需要高梯度域简单地插入离散点（ｈ型）或保持模型节点数、分布、覆盖大小均不变,中增加高误差覆盖上的函数的多项式阶次（ｐ型）,便可以得到更高精度的数值模型。针对平面弹性问题发展和推导一种显式后验误差指示公式,对平面裂纹实例进行了ｈ型,ｐ型,ｈｐ型三种不同类型的无网格自适应分析,数值分析结果表明了这种自适应     

Collocated discrete least‐squares (CDLS) meshless method: Error estimate and adaptive refinement

Meshless methods are new approaches for solving partial differential equations. The main characteristic of all these methods is that they do not require the traditional mesh to construct a numerical formulation. They require node generation instead of mesh generation. In other words, there is no pre‐specified connectivity or relationships among the nodes. This characteristic make these methods powerful. For example, an adaptive process which requires high computational effort in mesh‐dependent methods can be very economically solved with meshless methods. In this paper, a posteriori error estimate and adaptive refinement strategy is developed in conjunction with the collocated discrete least‐squares (CDLS) meshless method. For this, an error estimate is first developed for a CDLS meshless method. The proposed error estimator is shown to be naturally related to the least‐squares functional, providing a suitable posterior measure of the error in the solution. A mesh moving strategy is then used to displace the nodal points such that the errors are evenly distributed in the solution domain. Efficiency and effectiveness of the proposed error estimator and adaptive refinement process are tested against two hyperbolic benchmark problems, one with shocked and the other with low gradient smooth solutions. These experiments show that the proposed adaptive process is capable of producing stable and accurate results for the difficult problems considered. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

无网格方法的研究进展与展望

目前正在发展的无网格方法采用基于点的近似,可以彻底或部分地消除网格,因此在处理不连续和大变形问题时可以完全抛开网格重构。无网格方法是目前科学和工程计算方法研究的热点,也是科学和工程计算发展的趋势。本文首先简单地阐述了无网格方法,然后详细叙述了目前提出的各种无网格方法的研究进展,最后对目前无网格方法存在的问题进行了探讨,提出了今后的研究方向。     

自适应无网格法在生物涂层接触问题中的应用

自适应无网格法是针对有限元法无法求解或者不易求解的复杂问题,利用无网格法节点排布灵活、易于增删节点、便于自适应分析等优点发展起来的. 在对自适应无网格法理论基础和发展进行总结基础上,采用基于应变能梯度的自适应无网格—— 有限元耦合方法,对等离子喷涂制备的HA 生物涂层材料的无摩擦接触问题进行分析,对制备的两种不同厚度的生物涂层材料进行求解,分别给出了von Mises 应力分布云图. 结果表明,自适应无网格法能较好地应用于生物涂层接触问题中.     

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.     

Dealing with extremely large deformation by Nearest-Nodes FEM with algorithm for updating element connectivity

In the recently developed Nearest-Nodes Finite Element Method (NN-FEM), elements are mainly used for numerical integration; while shape functions are constructed in a similar way as in meshless methods. Based on this strategy, NN-FEM inherits major merits from both the classical Finite Element Method and meshless methods. One of them is that NN-FEM is nearly not affected by element distortion. So NN-FEM is more efficient than the classical FEM on dealing with large deformation problems. Nevertheless, NN-FEM still has a requirement on finite element meshes, that is, elements in a mesh are required not to overlap or penetrate to each other, to avoid difficulty in numerical integration. To eliminate overlapped elements, NN-FEM is supplemented with an algorithm for updating element connectivity. With this supplement, NN-FEM is able to deal with extremely large deformation. In updating element connectivity, element nodes are kept not changed and all information associated with nodes are not touched. Therefore, there is no need to transfer solution data, and error introduced by solution transfer is avoided.     

大变形问题分析的局部Petrov-Galerkin法

在微机电系统(MEMS)的建模和模拟研究中,大变形或大移动要充分予以考虑.用有限元法分析这类问题,由于难以避免的网格畸变,使模拟效率精度降低甚至失效,无网格方法(Meshless Method)则能在分析这类问题时显示出明显的优势,无网格局部Petrov-Galerkin(MLPG)法被誉为是一种有发展前景的真正无网格法.本文进一步发展了MLPG法,通过对任意的离散分布节点采用局部径向基函数构造插值形函数和Heaviside权函数,分析方程采用局部加权弱形式离散,建立了变量仅依赖于初始构型的完全Lagrange分析格式,最后用Newton-Raphson法迭代求解.文中分析了悬臂梁典型算例和微机电开关非线性大变形问题,通过与有限元结果的比较,表明本文提出的大变形问题无网格局部Petrov-Galerkin法具有稳定性好及收敛性快等优点.     

Stabilization meshless method for convection-dominated problems

It is weN-known that the standard Galerkin is not ideally suited to deal with the spatial discretization of convection-dominated problems. In this paper, several techniques are proposed to overcome the instabilitY issues in convection-dominated problems in the simulation with a meshless method. These stable techniques included nodal refinement, enlargement of the nodal influence domain, full upwind meshless technique and adaptive upwind meshless technique. Numerical results for sample problems show that these techniques are effective in solving convection-dominated problems, and the adaptive upwind meshless technique is the most effective method of all.     

弹性力学的一种边界无单元法

首先对移动最小二乘副近法进行了研究，针对其容易形成病态方程的缺点，提出了以带权的正交函数作为基函数的方法－改进的移动最小二乘副近法，改进的移动最小二乘逼近法比原方法计算量小，精度高，且不会形成病态方程组，然后，将弹性力学的边界积分方程方法与改进的移动最小二乘逼近法结合，提出了弹性力学的一种边界无单元法，这种边界无单元法法是边界积分方程的无网格方法，与原有的边界积分方程的无网格方法相比，该方法直接采用节点变量的真实解为基本未知量，是边界积分方程无网格方法的直接解法，更容易引入界条件，且具有更高的精度，最后给出了弹性力学的边界无单元法的数值算例，并与原有的边界积分方程的无网格方法进行了较为详细的比较和讨论。     

Efficient simulation of free surface flows with discrete least-squares meshless method using a priori error estimator

In this article, a priori error estimate is employed to improve the efficiency of simulating free surface flows with discrete least-squares meshless (DLSM) method. DLSM is a fully least-squares approach in which both function approximation and the discretisation of the governing differential equations is carried out using a least-squares concept. The meshless shape functions are derived using the moving least-squares (MLS) method of function approximation. The discretised equations are obtained via a discrete least-squares method in which the sum of the squared residuals are minimised with respect to unknown nodal parameters. The governing equations of mass and momentum conservation are solved in a Lagrangian form using a pressure projection method. The proposed simulation strategy is composed of error estimation and a node moving refinement method. Since in free surface problems, the position of the free surface is of primary interest, a priori error estimate is used which automatically associates higher error to the nodes near the free surface. The node moving refinement method is used to construct a nodal configuration with dense nodal arrangement near the free surface. Four test problems namely dam break, evolution of a water bubble, solitary wave propagation and wave run-up on slope are investigated to test the ability and efficiency of the proposed efficient simulation method.