求解三维混凝土骨料模型分层高次元方程的多水平方法

三维混凝土随机骨料模型是由基体、骨料及界面层所组成的一种复杂弱不连续问题。高阶有限元方法是确保各骨料界面附近数值解保持较高精度的计算方法之一,但与低阶单元(如线性元)相比,高阶单元具有更高的计算复杂性,需要更多的计算机存储单元。本文针对混凝土骨料模型四面体分层高次有限元方程,提出了相应的两水平方法及多水平方法,这些方法本质性地将高次有限元方程化归为相应线性有限元方程的求解。在程序实现中,由于采用了分层基,因而不需建立判定未知数变量指标和所属几何节点类型对应关系的代数判据,构造相应网格层之间的转换算子也变得简单有效,从而显著提高了运算效率。数值例子验证了方法的有效性,为求解实际三维混凝土骨料模型提供了相应的快速计算方法。     

求解弱不连续问题的p型自适应有限元方法

在实际工程计算中,存在大量的弱不连续问题,如含夹杂问题。利用通常的有限元方法,为确保界面上各点满足给定高精度,往往需要采用全域网格加密或全域提高单元阶次的方法,这将会导致计算机的物理内存和CPU时间的剧烈增长。p-型自适应有限元方法是一种能通过自适应分析逐步增加单元阶次以改善计算精度的数值方法。本文,我们针对弱不连续问题设计了相应的p-型自适应有限元方法,重点讨论了容许误差控制标准对界面上各点计算结果的影响,并对几类典型的弱不连续问题进行了数值计算与模拟。数值结果表明,本文设计的p-型自适应有限元方法对求解弱不连续问题是非常有效的,用较少的单元得到精度可靠的数值结果,可大大提高其有限元分析效率。     

三维弹性问题高次有限元方程的代数多层网格法

有限元法是数值求解三维弹性问题的一类重要的离散化方法,高次有限元又是其中的一类常用有限元。由于高次元对问题具有更好的逼近效果及具有某些特殊的优点,如能解决弹性问题的闭锁现象(Poisson’s ratio locking),使得它们在实际计算中被广泛使用。但与线性元相比,它具有更高的计算复杂性。通过分析高次有限元空间与线性有限元空间之间的关系,提出了一种求解三维弹性问题高次有限元方程的两水平方法,然后,通过调用现有的代数多层网格法求解粗水平方程,建立了求解高次有限元方程的AMG法。数值实验表明,本文设计的AMG法对求解三维弹性问题高次有限元方程具有很好的计算效率和鲁棒性。     

HIGH-ORDER DISCONTINUOUS GALERKIN SOLUTION OF N-S EQUATIONS ON HYBRID MESH

针对层流NS方程发展了混合网格上的高阶间断有限元方法,给出了物面边界高阶近似的具体步骤以及近物面弯曲单元的处理方法。对数值离散产生的非线性方程组采用牛顿迭代进行求解,每个牛顿循环采用预处理广义最小余量法求解产生的大型稀疏线性系统。使用该方法得到了典型算例的数值结果,并跟前人的计算结果进行了比较。计算结果表明,混合网格上应用高阶间断有限元方法求解黏性流动具有很好的应用前景。     

平面弹性力学问题的离散元法

根据离散元的基本原理,基于变形体的理论提出了适用于平面弹性力学问题的界面位移、应变和应力模式,建立了求解平面弹性力学问题的离散元方程和相应的迭代求解方法.通过界面位移可以简洁地将位移和力的边界条件引入离散系统的控制方程,也可以方便地求解节点位移.数值算例表明,与具有相同网格的有限元结果相比,离散元能同时给出精度相对较高的应力解和精度相当的位移解.     

薄板弯曲分析的高阶高效无网格法

与传统有限元法相比,无网格法具有节点形函数高度光滑、易于形成高阶近似等优势,更适合于以薄板弯曲问题为代表的高阶偏微分方程的数值求解。然而,高阶无网格法的形函数是非多项式的有理函数,导致弱形式的区域积分难以得到精确计算,通常采用的高阶高斯积分方法需使用大量积分点,计算效率低且精度不高。本文针对薄板弯曲问题的高阶（三阶）无网格法分析,首次发展了与该高阶近似相一致的曲率光顺方案,并基于背景三角形积分单元建立了相应的数值积分格式,大幅度减少了所需的积分点数目。所发展方法的关键在于计算刚度阵所需的形函数的二阶导数由形函数及其一阶导数通过散度定理确定,而非对形函数直接求导获得。数值结果表明,基于标准的高斯积分方案的高阶无网格法精度不高,不能精确再现纯弯曲和线性弯曲模式,且得到的弯矩场分布存在严重的虚假数值振荡。而本文所建议的基于曲率光顺方案的高阶无网格法能够方便高效地求解薄板弯曲问题,尤其是它能精确反映纯弯曲和线性弯曲模式。与标准的高斯积分方法和目前主流的常曲率光顺方法相比,本文方法在计算效率、精度、弯矩分布等方面均展现出显著优势,因而具有较好的应用价值。     

求解不连续中厚板自由振动的微分容积单元法

基于区域叠加原理和微分容积法，发展了一种新型的数值方法——微分容积单元法，用以分析具有不连续几何特征的中厚板的自由振动。根据板的不连续情况将其划分为若干单元，在每个单元内用微分容积法将控制微分方程离散成为一组线性代数方程．在相邻的单元连接处应用位移连续条件和平衡条件，引入边界约束条件后得到一套关于各配点位移的齐次线性代数方程，由此可导出求解系统固有频率的特征方程。本文用子空间迭代法求解特征方程，并以开孔板、混合边界条件板和突变厚度板为例研究了方法的收敛性和计算精度。     

弱不连续问题扩展有限元法的数值精度研究

主要研究了扩展有限元法(extended finite element method, XFEM)在处理弱不连续问题时不同改进函数形式对XFEM数值求解精度的影响,阐述了各种改进函数影响XFEM求解精度的关键因素,指出校正的扩展有限元法(corrected-XFEM)能够提高数值求解精度的实质在于它拓展了改进结点域,即将常规扩展有限元法(standard-XFEM)的改进结点域增加一层作为corrected-XFEM的改进结点域,文中建议延拓corrected-XFEM的改进结点域,即在corrected-XFEM的改进结点域基础上再增加一层改进结点. 利用水平集函数表征材料内部的不连续界面,推导了XFEM求解的支配方程,给出了一种改进单元的数值积分方案以及改进单元处高精度应力的求解方法. 含夹杂问题的数值计算结果表明:建议的延拓corrected-XFEM改进结点域的方法能够明显提高XFEM的数值求解精度.      

求解固体力学问题的强?弱耦合形式单元微分法

单元微分法是一种新型强形式有限单元法. 与弱形式算法相比, 该算法直接对控制方程进行离散, 不需要用到数值积分. 因此该算法有较简单的形式, 并且其在计算系数矩阵时具有极高的效率. 但作为一种强形式算法, 单元微分法往往需要较多网格或者更高阶单元才能达到满意的计算精度. 与此同时, 对于一些包含奇异点的模型, 如在多材料界面、间断边界条件、裂纹尖端等处, 传统单元微分法往往得不到较精确的计算结果. 为了克服这些缺点, 本文提出了将伽辽金有限元法与单元微分法相结合的强?弱耦合算法, 即整体模型采用单元微分法的同时, 在奇异点附近或某些关键部件采用有限元法. 该策略在保留单元微分法高效率与简洁形式等优点的同时, 确保了求解奇异问题的精度. 在处理大规模问题时, 针对关键部件采用有限元法, 其他部件采用单元微分法, 可以在得到较精确结果的同时, 极大提高整体计算效率. 在本文中, 给出了两个典型算例, 一个是具有切口的二维问题, 一个是复杂的三维发动机问题. 针对这两个问题, 分析了该耦合算法在求二维奇异问题和三维大规模问题时的精度与效率.      

线性定常对流占优对流扩散问题的无网格解法

应用无网格Galerkin方法求解对流占优对流扩散问题时会出现非物理现象的数值伪振荡,本文将SUPG方法、GLS方法、SGS方法与无网格Galerkin方法相耦合,成功解决了对流扩散方程中对流项占优时的数值伪振荡问题。运用本文构造的方法,采用线性基和具有C2连续的权函数,应用移动最小二乘法可容易地构造高阶导数连续的形函数,从而避免了有限元方法中当采用线性元插值时,因忽略稳定项中二阶导数项而降低计算精度和稳定性的问题。数值实验表明:本文构造的方法具有计算精度高、稳定性好、计算算法实施简单、前后处理方便的优点,这些方法不仅能适用于对流项占优问题,而且也能很好地消除反应项占优时的数值伪振荡问题。     

Numerical investigation of the slope discontinuities in large deformation finite element formulations

In many multibody system applications, the system components are made of structural elements that can have different orientations, leading to slope discontinuities. In this paper, a numerical investigation of a new procedure that can be used to model structures with slope discontinuities in the finite element absolute nodal coordinate formulation (ANCF) is presented. This procedure can be applied to model slope discontinuities in the case of commutative rotations of gradient deficient elements that are used for modeling thin beam and plate structures. An important special case to which the proposed procedure can be applied is the case of all planar gradient deficient ANCF finite elements. The use of the proposed method leads to a constant orthogonal element transformation that describes an arbitrary initial configuration. As a consequence, one obtains, in the case of large commutative rotations and large deformations, a constant mass matrix for structures which have complex geometry. The procedure used in this investigation to model slope discontinuities requires the use of the concept of the intermediate finite element coordinate system. For each finite element, a new set of gradient coordinates that define, at the discontinuity node, the element deformation with respect to the intermediate element coordinate system is introduced. These new gradient coordinates are assumed to be equal for the two finite elements at the point of intersection. That is, the change of the gradients of two elements at the intersection point from their respective intermediate initial reference configuration is assumed to be the same. This procedure leads to a set of linear algebraic equations that define the orthogonal transformation matrix for the finite element. Numerical examples are presented in order to demonstrate the use of the proposed procedure for modeling slope discontinuities.     

二阶非自伴两点边值问题Garlerkin有限元的超收敛算法

提出了基于改进位移模式的二阶非自伴两点边值问题Garlerkin有限元的超收敛算法. 用常规有限元解的位移模式与高阶有限元解的位移模式之和构造新的位移模式,基于Garlerkin 方法,采用积分形式推导了单元平衡方程. 对于线性单元,本文给出了有代表性的算例,结点和单元的位移、导数都达到了h⁴阶的超收敛精度.     

On Taylor weak statement finite element methods for computational fluid dynamics

A Taylor series augmentation of a weak statement (a ‘Taylor weak statement’ or ‘Taylor-Galerkin’ method) is used to systematically reduce the dispersion error in a finite element approximation of the one-dimensional transient advection equation. A frequency analysis is applied to determine the phase velocity of semi-implicit linear, quadratic and cubic basis one-dimensional finite element methods and of several comparative finite difference/finite volume algorithms. The finite element methods analysed include both Galerkin and Taylor weak statements. The frequency analysis is used to obtain an improved linear basis Taylor weak statement finite element algorithm. Solutions are reported for verification problems in one and two dimensions and are compared with finite volume solutions. The improved finite element algorithms have sufficient phase accuracy to achieve highly accurate linear transient solutions with little or no artificial diffusion.     

弱连续条件下的九参三角形板元

首先对薄板弯曲平衡方程的弱形式进行了推导,导出保证单元收敛的弱协调条件,即三角形顶点函数值连续和三边的法向导数积分连续这两个条件;对比拟协调元、广义协调元和双参数法中所使用的3个积分连续条件,本条件更弱;再对这3个积分协调条件的构成方法进行了总结和分析,现有采用积分连续条件构造的有限元大都采用了这些构成方法.采用弱协调条件构造有限元,比原来的构造范围更广,井以此构造出几种单元作为算例.采用这种构成法还可构造多种单元,它们都具有采用最小势能原理法构成有限元的简便的优点,并在任意网格下收敛到真解.     

水下声波传播过程的时域间断Galerkin有限元方法

本文构建了声压波动方程的改进时域间断Galerkin有限元方法.传统时域连续有限元方法在计算高梯度、强间断特征水中声波传播问题时往往会出现虚假数值振荡现象,这些数值振荡会影响正常波动的计算精度.为了解决这一问题,本文通过引入人工阻尼的方式构建了改进的时域间断Galerkin有限元方法,并针对具有高梯度、强间断特征的多障碍物复杂边界和层合液体介质声传播问题进行了计算.计算结果表明,与传统时域连续方法如N ew mark方法计算结果对比,所发展方法能较好地消除高梯度和强间断声压力波传播过程中虚假的数值振荡,具有较高的计算精度.问题的求解为进一步流固声耦合问题的研究奠定了基础.     

A novel hybrid finite element analysis of inplane singular elastic field around inclusion corners in elastic media

This paper deals with the inplane singular elastic field problems of inclusion corners in elastic media by an ad hoc hybrid-stress finite element method. A one-dimensional finite element method-based eigenanalysis is first applied to determine the order of singularity and the angular dependence of the stress and displacement field, which reflects elastic behavior around an inclusion corner. These numerical eigensolutions are subsequently used to develop a super element that simulates the elastic behavior around the inclusion corner. The super element is finally incorporated with standard four-node hybrid-stress elements to constitute an ad hoc hybrid-stress finite element method for the analysis of local singular stress fields arising from inclusion corners. The singular stress field is expressed by generalized stress intensity factors defined at the inclusion corner. The ad hoc finite element method is used to investigate the problem of a single rectangular or diamond inclusion in isotropic materials under longitudinal tension. Comparison with available numerical results shows the present method is an efficient mesh reducer and yields accurate stress distribution in the near-field region. As applications, the present ad hoc finite element method is extended to discuss the inplane singular elastic field problems of a single rectangular or diamond inclusion in anisotropic materials and of two interacting rectangular inclusions in isotropic materials. In the numerical analysis, the generalized stress intensity factors at the inclusion corner are systematically calculated for various material type, stiffness ratio, shape and spacing position of one or two inclusions in a plate subjected to tension and shear loadings.     

平面广义四节点等参元GQ4及其性能探讨

广义节点有限元是将传统有限元方法中的节点广义化,在不增加节点个数的前提下,仅通过提高广义节点的插值函数的阶次,从而达到提高有限元解精度的目的.与现有的p型和hp型有限元不同,在这种新的有限元中,节点自由度全部定义在节点处,在理论与程序实现上与传统有限元方法具有很好的相容性,传统有限元方法是这种新方法的广义节点退化为0阶时的特殊情形.文中主要讨论了这一新方法的四节点等参元（记为GQ4）的形式.对GQ4进行的各种数值试验表明,所发展的广义四节点等参单元具有精度高且无剪切自锁与体积自锁等的特点.