基于自然单元法的轴对称结构极限上限分析

自然单元法是一种以自然邻近插值为试函数的新兴无网格数值方法,其形函数的计算不涉及矩阵求逆,也不需要任何人为参数。为了充分发挥自然单元法的优势,本文基于极限分析上限定理建立了轴对称结构极限上限分析的整套求解算法。轴对称结构的位移场由自然邻近插值构造,并且采用罚函数法处理材料的不可压条件。为了消除目标函数非光滑所引起的数值困难,采用逐步识别刚性区和塑性区,并对两者用不同方法进行处理。数值算例结果表明,本文提出的轴对称结构极限上限分析方法是行之有效的。     

自然单元法在Winkler地基薄板计算中的应用

自然单元法是一种基于Voronoi图及Delaunay三角形剖分图,以自然邻接点插值为试函数的一种无网格数值方法.本文以目前该方法中自然邻接点的Laplace插值形函数为基础,求出了其一阶及二阶导函数,建立了Winkler地基上薄板弯曲挠度的自然单元法求解控制方程,并编制了相应的计算程序,通过算例分析表明了本文方法的可行性和有效性.     

三维弹塑性自然单元法算法实现

自然单元法是一种新兴的无网格数值计算方法,其实质是基于自然相邻插值(C∞)的伽辽金法。该方法计算精度与四边形或六面体单元有限元法相当,自然相邻插值函数比其他无网格法插值函数的计算速度快。由于自然相邻插值在凸域的边界上的相邻点之间是严格线性的,所以自然单元法在边界面的处理也相当简单。本文研究了在自然单元法中采用Von.Mises,Mohr-Coulomb和Drucker-Prager屈服准则解决三维弹塑性问题,并编制了相应计算程序,最后通过算例验证算法的正确性。     

自然单元法研究进展

自然单元法是一种基于Voronoi图和Delaunay三角化几何结构,以自然邻点插值为试函数的一种新型数值方法.其既具有无网格方法和经典有限元方法的优点,又克服了两者的一些缺陷,是一种发展前景广阔的求解微分方程的数值方法.自然单元法的形函数满足插值性质,可以像有限元法一样直接施加本质边界条件,不存在基于移动最小二乘拟合的无网格方法不能直接施加本质边界条件的难题.由于自然单元法是无网格方法,可以方便处理有限元方法较难处理的一些问题,例如移动边界和大变形等问题.自然单元法与其他数值方法的最根本区别于其插值格式的不同.将自然邻点插值用于Galerkin过程,就得到基于Voronoi结构的自然单元Galerkin法.自然邻点插值有自然邻点Sibson插值和Laplace插值(非Sibson插值)两种.Laplace插值比Sibson插值在计算上要简单的多,并且不论对凸的或非凸的区域都能精确施加本质边界条件.以Laplace插值为试函数的自然单元法在数值实施上比以Sibson插值为试函数的自然单元法简单.本文对基于Voronoi结构的自然邻点插值和自然单元法的基本思想作了介绍,综述了国内外关于自然单元法的研究成果,总结了自然单元法的优点和尚需解决的问题.     

基于Lasserre算法的自然单元法形函数计算

基于Lasserre体积算法推导了两种插值方案下自然单元法形函数及其导数 的具体计算方法，特别是对计算点处于某些特殊位置时可能造成计算失败的原因和处理方法 进行了较为深入的研究. 算例结果验证了Sibson与non-Sibson插值形函数在三角形外接圆 的圆周上具有不同的连续性，自然单元法形函数在凸区域的边界结点间是线性变化的，因而 可以方便地施加本质边界条件.     

Winkler地基上厚板分析的自然单元法

以自然单元法中自然邻接点的Laplace插值形函数为基础,基于Mindlin厚板理论,建立了Winkler地基上厚板弯曲挠度的自然单元法求解控制方程,并进行了相应的程序实现,最后通过算例分析,表明了该文方法的可行性和有效性.     

线性强化材料弹塑性分析的自然单元法

自然单元法(NEM)是一种求解偏微分方程的无网格数值方法,其形函数兼具无网格法的特点和传统有限元法的优点.本文基于塑性增量理论,将自然单元法应用于弹塑性问题的分析计算中.为实现近似函数在非凸边界上的线性变化,采用约束的自然单元法(C-NEM)进行形函数计算.给出了增量切线刚度法求解非线性控制方程的相关公式,并对加载状态的确定和过渡状态下比例因子的计算方法等问题进行了深入的研究.编制了Von-Mises屈服准则下线性强化材料模型的二维弹塑性分析计算程序.算例分析表明,用自然单元法分析弹塑性力学问题是可行的,具有前处理过程简单、可以方便地准确施加本质边界条件等优点.     

高度不规则网格多边形单元的有理函数插值格式

借鉴自然邻点插值法,提出了基于高度不规则网格多边形单元的有理函数插值格式一多边形有理函数插值．给出了多边形有理函数插值形函数的计算表达式．该插值格式以多边形的顶点作为插值点,插值形函数为有理函数形式,克服了传统有限方法中构造边数大于4单元多项式形式位移插值的困难．     

轴对称弹性体扭转问题的无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法

本文将无网格自然邻接点Petrov-Galerkin 法应用于轴对称弹性体扭转问题的求解．无网格自然邻接点Petrov-Galerkin 法采用自然邻接点插值构造试函数，并且采用三角形线性单元的形函数作为加权残值法的加权函数．自然邻接点插值构造的试函数满足Kronecker delta 函数性质，因此本质边界条件的施加十分方便．由于几何形状和边界条件的轴对称特点，原来的空间问题简化为二维问题求解，因此计算时只需要横截面上离散节点的信息．数值算例结果表明，所提出的方法对求解轴对称弹性体扭转问题是行之有效的．     

基于局部搜索算法的自然邻接点方法

自然邻接点方法(NNM)采用自然邻接点形函数进行插值，其插值形函数具有严格定义，且与 有限元形函数一样形式简洁、性能优良，因而避免了EFG法里难以准确施加位移边界条件和 材料不连续条件等诸多主要困难. 但是从形式上看自然邻接点方法仍然属于有网格的方法， 其研究和应用受到了较大的限制. 为了克服这个缺点，对于任意给定的数值积分点，提出了 一种基于局部搜索自然邻接点的寻找算法对NNM进行改进. 改进后的NNM与无单元伽辽金法 (EFG)的插值和求解过程类似，兼具有EFG的真正无网格特性及NNM的便于处理边界和材料 不连续条件等优点. 所得计算结果表明，改进后的NNM的计算精度和计算时间与NNM相当， 是一种比较理想的数值求解方法.     

Upper-bound limit analysis based on the natural element method

The natural element method (NEM) is a newly-developed numerical method based on Voronoi diagram and Delaunay triangulation of scattered points, which adopts natural neighbour interpolation to construct trial functions in the framework of Galerkin method. Owing to its distinctive advantages, the NEM is used widely in many problems of computational mechanics. Utilizing the NEM, this paper deals with numerical limit analysis of structures made up of perfectly rigid-plastic material. According to kinematic theorem of plastic limit analysis, a mathematical programming natural element formulation is established for determining the upper bound multiplier of plane problems, and a direct iteration algorithm is proposed accordingly to solve it. In this algorithm, the plastic incompressibility condition is handled by two different treatments, and the nonlinearity and nonsmoothness of the goal function are overcome by distinguishing the rigid zones from the plastic zones at each iteration. The procedure implementation of iterative process is quite simple and effective because each iteration is equivalent to solving an associated elastic problem. The obtained limit load multiplier is proved to monotonically converge to the upper bound of true solution. Several benchmark examples are investigated to validate the significant performance of the NEM in the application field of limit analysis.     

光滑节点插值法:计算固有频率下界值的新方法

将光滑节点插值法用于悬臂梁的静力学,并首次用于旋转柔性梁的频率分析. 采用梯度光滑技术,用线性插值形函数描述梁的位移场,求解4 阶微分方程. 在静力学分析中,将该方法所得梁中各点位移与假设模态法、有限元法及解析解的结果对比,可知该方法虽用简单的线性插值形函数描述梁的位移场,但精度却很高. 进一步研究表明,采用模态高于9 阶的假设模态法会使刚度阵条件数变差,导致结果发散. 在频率分析中,与有限元法、假设模态法和解析解对比,表明该方法一个重要特性:能提供固有频率的下界值,而有限元法和假设模态法只能提供固有频率的上界值,说明该方法结合有限元法在处理无解析解的问题时可以从上下界最大程度的逼近真实解,提高精度. 光滑节点插值法具有形函数结构简单、独立变量少且能提供固有频率下界值的特性,因此,具有较高的推广及应用价值.     

Kinematic limit analysis of frictional materials using nonlinear programming

In this paper, a nonlinear numerical technique is developed to calculate the plastic limit loads and failure modes of frictional materials by means of mathematical programming, limit analysis and the conventional displacement-based finite element method. The analysis is based on a general yield function which can take the form of the Mohr–Coulomb or Drucker–Prager criterion. By using an associated flow rule, a general nonlinear yield criterion can be directly introduced into the kinematic theorem of limit analysis without linearization. The plastic dissipation power can then be expressed in terms of kinematically admissible velocity fields and a nonlinear optimization formulation is obtained. The nonlinear formulation only has one constraint and requires considerably less computational effort than a linear programming formulation. The calculation is based entirely on kinematically admissible velocities without calculation of the stress field. The finite element formulation of kinematic limit analysis is developed and solved as a nonlinear mathematical programming problem subject to a single equality constraint. The objective function corresponds to the plastic dissipation power which is then minimized to give an upper bound to the true limit load. An effective, direct iterative algorithm for kinematic limit analysis is proposed in this paper to solve the resulting nonlinear mathematical programming problem. The effectiveness and efficiency of the proposed method have been illustrated through a number of numerical examples.     

Limit analysis of composite materials based on an ellipsoid yield criterion

Employing repeating unit cell (RUC) to represent the microstructure of periodic composite materials, this paper develops a numerical technique to calculate the plastic limit loads and failure modes of composites by means of homogenization technique and limit analysis in conjunction with the displacement-based finite element method. With the aid of homogenization theory, the classical kinematic limit theorem is generalized to incorporate the microstructure of composites. Using an associated flow rule, the plastic dissipation power for an ellipsoid yield criterion is expressed in terms of the kinematically admissible velocity. Based on nonlinear mathematical programming techniques, the finite element modelling of kinematic limit analysis is then developed as a nonlinear mathematical programming problem subject to only a small number of equality constraints. The objective function corresponds to the plastic dissipation power which is to be minimized and an upper bound to the limit load of a composite is then obtained. The nonlinear formulation has a very small number of constraints and requires much less computational effort than a linear formulation. An effective, direct iterative algorithm is proposed to solve the resulting nonlinear programming problem. The effectiveness and efficiency of the proposed method have been validated by several numerical examples. The proposed method can provide theoretical foundation and serve as a powerful numerical tool for the engineering design of composite materials.     

基于刚（粘）塑性流动理论的自然单元法研究

将自然单元法与刚（粘）塑性流动理论相结合,对自然单元法在金属塑性成形过程数值模拟中的应用进行了研究。采用基于Voronoi图和Delaunay三角化结构的Non-Sibsonian插值方法构造近似速度场向量,实现无网格方法中速度边界条件的直接精确施加,提出了基于刚（粘）塑性流动理论的无网格自然单元法。运用不完全广义变分...     

有理宏单元法求解泊松方程

基于有理超限插值,提出了一种在求解域边界布点的全域求解数值方法——有理宏单元法。推导出了三角形及四边形单元的有理混合函数,划分单元各边的节点并选定各边上的插值函数,建立了三角形及四边形母单元的形函数。利用等参变换,将求解域影射到相应的母单元上,得到了求解泊松方程边值问题的有理宏单元方程组。通过将求解域划分为一个或多个宏单元,有理宏单元法可对任意形状的二维区域求解。作有理宏单元法解泊松方程边值问题的算例,验证了本文方法的有效性。