等参管单元及其在热传导问题边界元法中的应用

采用边界元法(BEM)求解实际工程问题时,很大一部分误差来自于离散误差。为此,本文基于Lagrange插值原理,提出了一种三维等参管单元边界元算法,该单元能很好地模拟管状结构的几何外形并对物理量进行高阶插值,大大地消除了离散误差。另外,当在边界元法中使用等参管单元时,提出了一种在等参平面内消除积分奇异性的方法。算例表明,本文算法具有划分网格少,求解精度高的优点。     

基于参数曲面三维势问题的边界面法

提出了边界元法(BEM)的一种新的实现方法——边界面法(BFM)。在传统的边界元法中,单元不仅用来进行边界积分和函数插值,而且用来近似几何体。当离散网格较稀疏时,会引起较大几何误差,因而影响计算精度。本文基于参数曲面,将几何实体的边界曲面离散为参数空间里的曲面单元,边界积分和场变量的插值都是在曲面参数空间里进行。积分点...     

基于单元子分法的结构多尺度边界单元法

建立在基于单元子分法的一种有效自适应格式以及多区域边界元三步求解技术基础上提出了一种计算结构多尺度问题的多区域边界元法。首先,通过高斯积分误差分析公式确定边界单元在满足精度要求下所需要的高斯点数,当所需高斯点数超过规定数目时该单元就被自动划分成一定数量的子单元,从而消除结构多尺度所引起的近奇异性。在单元子分技术的基础上采用多区域边界元三步求解技术来处理材料非均质问题:第一步消除各子域的内部未知量,第二步消除各子域独自拥有的边界未知量,第三步根据位移相容性条件和面力平衡条件建立系统方程组并求解公共界面节点位移以及每个子域的其他未知量。数值算例结果表明本方法可以用较少的计算时间得到满意的结果,是处理结构多尺度问题的一种有效方法。     

基于最佳质量网格的薄板问题的非协调流形方法

对于大部分非协调板单元,使用规则网格能得到很好的效果。但是,当网格不规则时,非协调元的数值特性将变得很差,甚至收敛性得不到保证。为解决网格依赖性问题,许多专家学者提出了改造单元,如拟协调元法和广义协调元法,这些方法能解决收敛性问题,但是数值实践证明没有一种单元能在所有情况下都具有良好的数值特性。考虑到流形方法采用两套完全独立的覆盖系统,可以用规则的数学网格来作为数学覆盖进行插值,取得最佳的插值效果,单元收敛性便能得到保证。再结合适用于流形方法的变分提法,建立起流形方法处理非规则物理边界非协调板单元的一般格式。以ACM 薄板单元为例,与ANSYS、拟协调元法和广义协调元法进行了对比,证明本文方法在处理具有曲线边界的薄板弯曲问题时具有收敛快和精度高等优势。     

基于最佳质量网格的薄板问题的非协调流形方法

对于大部分非协调板单元,使用规则网格能得到很好的效果。但是,当网格不规则时,非协调元的数值特性将变得很差,甚至收敛性得不到保证。为解决网格依赖性问题,许多专家学者提出了改造单元,如拟协调元法和广义协调元法,这些方法能解决收敛性问题,但是数值实践证明没有一种单元能在所有情况下都具有良好的数值特性。考虑到流形方法采用两套完全独立的覆盖系统,可以用规则的数学网格来作为数学覆盖进行插值,取得最佳的插值效果,单元收敛性便能得到保证。再结合适用于流形方法的变分提法,建立起流形方法处理非规则物理边界非协调板单元的一般格式。以ACM薄板单元为例,与ANSYS、拟协调元法和广义协调元法进行了对比,证明本文方法在处理具有曲线边界的薄板弯曲问题时具有收敛快和精度高等优势。     

自由单元法及其在结构分析中的应用

通过吸收有限元与无网格法的优点,提出了一种新的数值方法------自由单元法.此方法在离散方面,采用有限元法中的等参单元,表征几何形状和进行物理量的插值;在算法方面,采用单元配点技术,逐点产生系统方程.主要特点是,在每个配置点只需要一个和周围自由选择的节点而形成的一个独立的等参单元,因而不需要考虑物理量在单元之间的相互连接关系与导数连续性问题. 本文介绍强形式与弱形式两种自由单元法,前者直接由控制方程和边界条件直接产生系统方程,后者通过在自由单元上建立控制方程的加权余量式产生弱形式积分式,并通过像传统有限元法中的积分过程建立系统方程组.本文提出的方法是一种单元配点法,对于域内点为了获得较高的导数精度,需要采用至少具有一个内部点的等参单元,为此除了可使用各阶次的拉格朗日四边形单元外, 还 给出了七节点三角形等参单元,用于模拟较为复杂的几何形状问题.      

边界节点法的计算稳定性研究

边界节点法利用满足控制方程的非奇异通解作为基函数,半解析边界数值离散偏微分方程,具有精度高、收敛快、易编程等优点,是一种纯无网格配点方法.但是在求解具体问题时,随着节点数的增加,边界节点法经常得到严重病态的插值矩阵.本文利用有效条件数评价边界节点法求解Helmholtz问题线性方程组的计算稳定性;然后利用三种正则化方法处理其病态的线性方程组,并与高斯消元法比较计算精度和收敛性.通过数值实验,本文研究了有效条件数、误差和正则化方法之间的关系.     

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.      

求解管道耦合水力瞬变模型的Godunov格式

应用特征线差分法求解耦合瞬变问题时存在难以避免的多波插值问题,会引入较大的插值误差。为了解决此问题,本文提出了一种求解管道耦合水力瞬变模型的Godunov计算格式。首先基于有限体积法对模型进行数值离散,然后采用时空均为二阶精度的三步MUSCL-Hancock方法计算单元界面上的数值通量,同时引入斜率限制器函数来抑制虚假的数值振荡。在计算边界单元时,采用Rankine-Hugoniot条件与边界条件相结合的方法建立边界方程,有效降低了计算的复杂程度。实验与仿真对比表明：本文的计算结果与实验结果吻合较好,激波捕捉准确且无虚假的数值振荡,进而证明了该方法的可行性和有效性。     

薄板振动特征值问题的一种改进积分方程解法

本文根据一种改进的边界元/有限元混合法求解薄板振动固有频率问题,既避开了标准的边界元法所导致的求解非代数特征值方程的困难,亦能够基本上消除通常的边界元/有限元混合法结果精度受区域内部单元划分影响较大的弊端。文中讨论了迭代算法的收敛问题,并用于薄板固有频率分析。数值结果表明,即便是在域内单元很粗疏划分的情况下,本文的方法仍能给出相当满意的结果。     

Boundary element analysis for elastic and elastoplastic problems of 2D orthotropic media with stress concentration

Both the orthotropy and the stress concentration are common issues in modern structural engineering. This paper introduces the boundary element method (BEM) into the elastic and elastoplastic analyses for 2D orthotropic media with stress concentration. The discretized boundary element formulations are established, and the stress formulae as well as the fundamental solutions are derived in matrix notations. The numerical procedures are proposed to analyze both elastic and elastoplastic problems of 2D orthotropic media with stress concentration. To obtain more precise stress values with fewer elements, the quadratic isoparametric element formulation is adopted in the boundary discretization and numerical procedures. Numerical examples show that there are significant stress concentrations and different elastoplastic behaviors in some orthotropic media, and some of the computational results are compared with other solutions. Good agreements are also observed, which demonstrates the efficiency and reliability of the present BEM in the stress concentration analysis for orthotropic media. The project supported by the Basic Research Foundation of Tsinghua University, the National Foundation for Excellent Doctoral Thesis (200025) and the National Natural Science Foundation of China (19902007). The English text was polished by Keren Wang.     

二维位势边界元法高阶单元几乎奇异积分半解析算法

准确计算几乎奇异积分是边界元法难题之一。目前,对于一般的高阶单元的几乎奇异积分尚缺乏通用高效的计算方法。本文在单元局部坐标系中表征了二维高阶单元的几何特征,提出了源点相对高阶单元的接近度概念。针对二维位势边界元法的3节点二次等参单元,构造出与单元积分核具有相同几乎奇异性的近似奇异核函数。从二维位势几乎奇异积分单元积分核中扣除近似奇异核函数,把几乎奇异积分项转换为规则积分和奇异积分两部分之和,规则积分部分用常规Gauss数值积分计算,奇异积分部分由导出的解析公式计算,从而建立了二维位势问题高阶单元几乎强奇异和超奇异积分的半解析算法。算例结果表明了本文半解析算法的有效性和计算精度。     

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.     

A DOMAIN DECOMPOSITION ALGORITHM WITH FINITE ELEMENT-BOUNDARY ELEMENT COUPLING

A domain decomposition algorithm coupling the finite element and the boundary element was presented. It essentially involves subdivision of the analyzed domain into sub-regions being independently modeled by two methods, i.e., the finite element method (FEM) and the boundary element method (BEM). The original problem was restored with continuity and equilibrium conditions being satisfied on the interface of the two sub-regions using an iterative algorithm. To speed up the convergence rate of the iterative algorithm, a dynamically changing relaxation parameter during iteration was introduced. An advantage of the proposed algorithm is that the locations of the nodes on the interface of the two sub-domains can be inconsistent. The validity of the algorithm is demonstrated by the consistence of the results of a numerical example obtained by the proposed method and those by the FEM, the BEM and a present finite element-boundary element (FE-BE) coupling method.     

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.      

A numerical method for Cauchy principal value of singular integral under parametric transformation in BEM

A numerical method for the Cauchy principal value of the singular integral in BEM is developed using the concept of finite part integration under integral variable transformation. It is applied to the numerical integration on isoparametric element successfully, as shown in the examples in this paper.The project supported by National Natural Foundation of China.     

An adaptive cell-based domain integration method for treatment of domain integrals in 3D boundary element method for potential and elasticity problems

An adaptive cell-based domain integration method(CDIM) is proposed for the treatment of domain integrals in 3D boundary element method(BEM). The domain integrals are computed in background cells rather than volume elements. The cells are created from the boundary elements based on an adaptive oct-tree structure and no other discretization is needed. Cells containing the boundary elements are subdivided into smaller sub-cells adaptively according to the sizes and levels of the boundary elements; and the sub-cells outside the domain are deleted to obtain the desired accuracy. The method is applied in the 3D potential and elasticity problems in this paper.     

A meshless method of a thin plate

A meshless approach to analysis of arbitrary Kirchhoff plates by the local boundary integral equation(LBIE) method is presented. The method combines the advantageous features of, all the three methods: the Galerkin finite element method (GFEM), the boundary element method (BEM) and the element-free Galerkin method (EFGM). It is a truly meshless method, which means that the discretization is independent of geometric subdivision into elements or cells, but is only based on a set of nodes (ordered or scattered) over a domain in question. It involves only boundary integration, however, over a local boundary centered at the node in question; It poses no difficulties in satisfying the essential boundary conditions while leading to banded and sparse system matrices using the moving least square (MLS) approximations. It is shown that high accuracy can be achieved for arbitrary geometries for clamped and simply-supported edge conditions. The method is found to be simple, efficient, and attractive. Project supported by the National Science Foundation of China (No. 19972019).