一维算子自定义小波有限元的构造方法研究

针对工程结构中的共性问题,即算子,提出了工程结构的算子自定义小波有限元构造方法及自适应解耦计算方法。在建立了多分辨有限元空间的基础上,根据工程结构问题中的算子,即小波函数与尺度函数之间的内积关系式,提出了基于稳定完备法的算子自定义小波单元构造方法;提出自适应算子自定义小波有限元法,该方法的优点是在保持初始尺度分析结果的基础上,向局域添加所有大于局部误差阈值的算子自定义小波基,实现工程结构问题的高效分析。数值算例表明：算子自定义小波有限元法所推导的多尺度刚阵解耦比率为89.65%,自适应算子自定义小波有限元法的计算量最大降低比率为49.23%,适合工程结构问题的高效多尺度计算。     

算子自定义小波弹性板单元构造及自适应分析

提出一类用于分析弹性板问题的算子自定义小波弹性板单元构造方法。该方法的优点在于根据工程问题的求解需要灵活构造具有解耦特性的算子自定义小波基,使得系统多尺度刚阵具有沿对角线的强稀疏性,从而实现了该算法在每个尺度上独立、快速求解,系统方程的求解效率得到较大提高。建立多分辨Lagrange有限元空间和多尺度计算理论,提出基于稳定完备法的算子自定义小波弹性板单元构造方法及解耦条件。依据两尺度相对误差估计,提出自适应算子自定义小波有限元算法。数值算例证明,算子自定义小波弹性板单元具有求解精度与计算效率高等特点。     

薄板的多变量小波有限元分析

基于区间B样条小波和广义变分原理,提出了多变量小波有限元法,构造了一种新的薄板多变量小波有限单元.由广义变分原理推导结构的多变量有限元列式,区间B样条小波尺度函数作为插值函数构造的多变量小波有限元法中,广义应力和应变被作为独立变量进行插值,避免了传统方法中应力应变求解的微分运算,减小了计算误差.区间B样条小波良好的数值...     

薄板小波有限元理论及其应用

利用样条小波尺度函数构造了常用的三角形和矩形薄板单元的位移函数,得到了利用小波函数表示的形函数。采用合理的局部坐标,对单元进行压缩,使单元在局部坐标区间上有其值,成功地推导出了分域的三角形和矩形薄板小波有限元列式。在此基础上,提出了弹性地基薄板的小波有限元求解方法。通过两个算例对薄板的挠度和弯矩进行了计算,数值结果表明,求解结果具有收敛快、精度高的特点。     

一维区间B样条小波单元的构造研究

基于区间B样条小波及小波有限元理论,提出了一种区间B样条小波有限元方法。传统有限元多项式插值被一维区间B样条小波尺度函数取代,进而构造形状函数和单元。与小波Galer-kin方法不同,本文构造的区间B样条小波单元通过转换矩阵将无明确物理意义的小波插值系数转换到物理空间。转换矩阵在小波单元构造过程中起到关键作用,为了保证求解的稳定性,转换矩阵必须非奇异。构造了以区间B样条尺度函数为插值函数的一系列一维区间B样条小波单元。数值算例表明,本文构造的区间B样条小波单元与传统有限元方法相比,在求解变截面,变载荷等问题时具有收敛快和精度高等优势;有效地丰富了小波有限元法单元库。     

区间B样条小波平面弹性及Mindlin板单元构造研究

基于二维张量积区间B样条小波及小波有限元理论,构造了一类用于分析弹性力学平面问题和中厚板问题的C0型区间B样条小波板单元。在二维小波单元的构造过程中,传统多项式插值被二维区间B样条小波尺度函数取代,进而构造形状函数和单元。与小波Galerkin方法不同,本文构造的区间B样条小波单元通过转换矩阵将无明确物理意义的小波插值系数转换到物理空间。区间B样条小波单元同时具有传统有限元和B样条函数数值逼近精度高及多种用于结构分析的基函数的优点。数值算例表明:与传统有限元和解析解相比,本文构造的二维小波单元具有求解精度高,单元数量和自由度少等优点。     

多尺度材料模拟的自适应有限元方法研究

研究了材料模拟中一类新型耦合多尺度的自适应有限元方法. 采用微观分子动力学耦合宏观有限元的桥尺度方法来模拟材料破坏的前期行为,其中宏观有限元计算推广到了一般非结构三角形网格. 材料破坏形成后,停止微观尺度的计算,它的进一步发展和演化通过一个宏观模型来描述,采用自适应有限元方法来求解这一宏观模型. 其中,后验误差估计的基础是变分多尺度理论,即自适应网格加密是基于粗尺度上残差分布和细尺度上单元Green's函数. 计算中采用了破坏准则来模拟材料的断裂. 数值实验表明了方法的有效性.      

区间B样条小波薄壳截锥单元构造

利用区间B样条小波的尺度函数作为有限元插值函数,从轴对称壳的能量泛函出发,由变分原理导出了单元刚度矩阵和载荷列阵,构造了区间B样条小波薄壳截锥单元.区间B样条小波单元同时具有B样条函数数值逼近精度高和多种用于结构分析的变尺度基函数的特点.数值算例表明:与传统截锥单元相比,本文构造的小波单元具有求解精度高、单元数量和自由度少等优点.     

一种区间B样条小波平板壳单元及应用

基于二维张量积区间B样条小波,构造了一种件能良好的小波平板壳单元．在小波单元的构造过程中,用二维区间B样条小波尺度函数取代传统多项式插值,在所构造的区间B样条平面弹性单元和平面Mindlin板单元的基础上组合而成．区间B样条小波单元同时具有B样条函数数值逼近精度高和多种用于结构分析的基函数的特点．数值算例表明：与传统有限元和解析解相比,构造的小波平板壳单元具有求解精度高,单元数量和自由度少等优点．     

非均质材料动力分析的广义多尺度有限元法

自然界和工程中的大部分材料都具有多尺度特征,当考察尺度小到一定程度后,都将表现出非均质性.针对非均质材料的动力问题,提出了一种广义多尺度有限元方法,其基本思想是利用静态凝聚法以及罚函数法构造能够反映单元内部材料非均质特性的多尺度位移基函数.与传统扩展多尺度有限元法中的基函数构造方式不同,广义多尺度有限元法的基函数无需通过在子网格域上多次求解椭圆问题得到,而可直接通过矩阵运算获得.其主要步骤如下:利用数值基函数将一个非均质单胞等效为一个宏观单元,进而形成整个结构的等效刚度矩阵,并得到宏观网格的节点位移,最后再次利用数值基函数得到微观尺度上的位移结果.该广义多尺度有限元法是扩展多尺度有限元法的一种新的拓展,可模拟具有更加复杂几何的非均质单胞的力学行为.通过数值算例,模拟了非均质材料的静力问题、广义特征值问题以及瞬态响应问题,计算结果表明:在边界条件一样的情况下,广义多尺度有限元法的计算结果与传统有限元的计算结果保持高度一致.与传统有限元相比,该方法在保证计算精度的同时极大地提高了计算效率.研究结果表明,广义多尺度有限元法能够很好地模拟非均质单胞的力学行为,具有良好的工程应用潜力.      

小波变换在湍流数值研究中的应用

小波变换具有时空双局部性特点,恰好适应了湍流特性。本文主要阐述了小波在湍流数值计算中的两大研究进展:一个是利用连续小波(高斯小波)可使L ap lace算子降阶的特性来求解N-S方程;另一个是正交小波与有限元法相结合的方法——相干涡模拟。指出它们的优缺点及其存在的问题,并对小波在湍流计算中的应用前景作了展望。     

Solving Multi-dimensional Evolution Problems with Localized Structures using Second Generation Wavelets

A dynamically adaptive numerical method for solving multi-dimensional evolution problems with localized structures is developed. The method is based on the general class of multi-dimensional second-generation wavelets and is an extension of the second-generation wavelet collocation method of Vasilyev and Bowman to two and higher dimensions and irregular sampling intervals. Wavelet decomposition is used for grid adaptation and interpolation, while O ( N ) hierarchical finite difference scheme, which takes advantage of wavelet multilevel decomposition, is used for derivative calculations. The prowess and computational efficiency of the method are demonstrated for the solution of a number of two-dimensional test problems.     

小波方法及其非线性力学问题应用分析

小波分析是近几十年来发展起来的重要数学分支,被誉为“数学显微镜”,其独具的多分辨分析和大量可供选择的,可兼具正交性、紧支性、对称性、低通滤波、线性相位及插值性等优良数学品质的小波基函数为强非线性微分方程的数值求解带来了新的契机。自上世纪90年代以来,诸如小波伽辽金法、小波配点法、小波有限单元法和小波边界单元法等数值方法被先后构建出来并成功应用于各类力学问题的定量研究之中。本文从小波提出的历史背景及作为其理论基础的多分辨分析出发,对现有基于小波理论的各类数值方法进行梳理,总结各自的优点、缺点和下一步可能的发展方向,为未来基于小波理论的定量分析方法的发展及其在复杂非线性力学问题中的应用研究提供参考。     

A finite wavelet domain method for wave propagation analysis in thick laminated composite and sandwich plates

An efficient numerical method is developed for the simulation of three dimensional transient dynamic response in thick laminated composite and sandwich plate structures involving very high frequencies and wave numbers. The proposed method incorporates Daubechies wavelet scaling functions for the interpolation of the in-plane displacements with a Galerkin formulation. It further explores the orthonormality and compact support of wavelet scaling functions to produce near diagonal consistent mass matrices and banded stiffness matrices. Hence, an uncoupled equivalent discrete spatial dynamic system is formulated, synthesized and rapidly solved in the wavelet domain using an explicit time integration scheme. The in-plane wavelet interpolation is further combined with an efficient high order layerwise laminate plate theory, that implements Hermite cubic splines for the through-the-thickness approximation of displacement fields. Numerical results are presented on the prediction of guided waves in laminated and thick sandwich composite plates and compared with respective solutions obtained by analytical, semi-analytical and time domain spectral element models. The method yielded higher convergence rates and substantial reductions in computational effort compared to respective time domain spectral finite elements.     

THE CONSTRUCTION OF WAVELET-BASED TRUNCATED CONICAL SHELL ELEMENT USING B-SPLINE WAVELET ON THE INTERVAL

Based on B-spline wavelet on the interval (BSWI), two classes of truncated conicalshell elements were constructed to solve axisymmetric problems, i.e. BSWI thin truncated conicalshell element and BSWI moderately thick truncated conical shell element with independent slope-deformation interpolation. In the construction of wavelet-based element, instead of traditionalpolynomial interpolation, the scaling functions of BSWI were employed to form the shape functionsthrough the constructed elemental transformation matrix,and then construct BSWI element viathe variational principle. Unlike the process of direct wavelets adding in the wavelet Galerkinmethod, the elemental displacement field represented by the coefficients of wavelets expansionwas transformed into edges and internal modes via the constructed transformation matrix. BSWIelement combines the accuracy of B-spline function approximation and various wavelet-basedelements for structural analysis. Some static and dynamic numerical examples of conical shellswere studied to demonstrate the present element with higher efficiency and precision than thetraditional element.     

Numerical solution of Poisson equation with wavelet bases of Hermite cubic splines on the interval

A new wavelet-based finite element method is proposed for solving the Poisson equation. The wavelet bases of Hermite cubic splines on the interval are employed as the multi-scale interpolation basis in the finite element analysis. The lifting scheme of the wavelet-based finite element method is discussed in detail. For the orthogonal characteristics of the wavelet bases with respect to the given inner product, the corresponding multi-scale finite element equation can be decoupled across scales, totally or partially, and suited for nesting approximation. Numerical examples indicate that the proposed method has the higher efficiency and precision in solving the Poisson equation.