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．     

多边形有限元研究进展

有限元法是数值求解偏微分方程边值问题的重要方法,采用不规则多边形单元网格, 可以方便有效地模拟材料的力学性能, 又使得区域网格剖分变得灵活方便. 特别是对于复杂的几何形状, 多边形单元网格具有更大的优势. 本文对国内外有关多边形有限元法的最新进展作了初步的总结和评述, 主要以基于位移法的多边形有限元为主.论述了多边形有限元的发展历史, 给出了多边形单元上的Wachspress插值、Laplace插值和重心坐标的一些最新研究成果. 与经典有限元法形函数为多项式形式不同, 多边形单元的形函数为有理函数或者无理函数形式. 多边形单元插值形函数满足线性完备性, 可以再现线性位移场, 像经典有限元法一样直接施加本质边界条件; 插值函数在多边形的边界上是线性的,确保不同单元间的自动协调. 不同单元的插值形函数表达公式形式统一, 方便混合单元网格计算的程序编写. 提出了多边形有限元法今后需要研究的问题.      

多边形有限单元形函数的比较研究

多边形有限单元形函数有wachspress插值、Laplace插值和平均值插值三种类型.本文对三种多边形有限单元形函数的性质作了比较研究,给出了三种形函数各自的优点和局限性.Waclaspress和Laplace形函数是有理函数形式,而平均值形函数是无理函数形式.三种形函数均满足单位分解性、线性完备性,且在单元边界上呈线性.在三角形单元上,它们都等价于三角形面积坐标插值.在矩形单元上,Wachspress和Laplace形函数等价于双线性多项式插值形函数.Wachspress和平均值形函数适用于任意凸多边形单元,Laplace形函数更适用于圆内接多边形单元.Wachspress形函数不能推广到含有边节点的单元,平均值形函数可以直接推广到含有边节点的单元.数值试验,验证了本文理论分析的结论.     

求解弹性力学问题的有理单元法

传统的位移有限元法采用多项式形式的位移试函数,对于边数大于4的多边形单元,构造满足单元间协调性要求的多项式形式位移插值函数是一件困难的工作。本文利用逆距离权插值的思想并考虑到单元节点的分布,建立了边数大于4多边形单元上的有理函数形式的形函数。利用有理试函数,采用Galerkin法推导出求解平面弹性力学问题的有理单元法。采用有理单元法求解弹性力学问题,求解区域根据需要可以划分为任意多边形单元,极大地提高了网格划分的灵活性。有理单元法不依赖等参变换,不同单元的形函数表达形式统一,方便计算程序的编写。     

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.      

基于多边形网格的变系数问题边界单元法

提出一种用多边形网格计算二维变系数问题域积分的新型边界单元法。首先,构造了由任意多边组成的多边形网格形函数,用于几何与物理量的插值;其次,用径向积分法将多边形域积分转换成沿多边形周边的线积分,有效解决了各类非规则多边形网格的单元积分难题;最后,三个有关功能梯度材料与结构的数值算例结果显示本文提出的算法和常规有限元相比误差小于1%,说明本文方法具有很高的精度,且由于其单元积分时无需对积分函数或者积分域进行三角化等额外处理,该方法具有很高的效率。     

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．     

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.     

C1连续型广义有限元格式

C$^{1}$连续,即一阶导数连续.C$^{1}$连续型插值格式具有同时适用于离散PDE的弱形式与强形式的优点--即一种插值格式可以在使用PDE弱形式还是强形式之间做出选择,从而构造出更加高效的数值方法.由于单位分解广义有限元方法 (PUFEM, Babu${\check{ s}}$ka andMelenk(1997)),允许用户根据局部解的特征自定义任意高阶局部近似,具有精度高、程序实现与传统有限元相容性好的特点而受到广泛关注.但是,其总体近似函数的光滑性是由其所采用的单位分解函数--一般为标准有限元形函数--的光滑性所决定,因此多为C$^{0}$连续.如何在C$^{0}$连续标准有限元形函数的基础上,构造出满足C$^{1}$连续的总体近似函数,是一个仍未解决的问题.本文在作者前期研究的无额外自由度的单位分解插值格式的基础上,仅基于C$^{0}$标准有限元形函数,构造出至少C$^{1}$连续的无额外自由度单位分解格式.针对Poisson方程,讨论了该格式对PDE弱形式与强形式的离散.测试结果表明,方法可以同时用于弱形式与强形式的数值求解,而且可以在不改变网格和自由度数的前提下,获得高阶收敛.使用该插值格式的条件是:网格须是直角坐标网格(不要求均匀).该插值格式可以同时用于流体力学问题和使用欧拉背景网格求解动量方程的固体力学方法,如材料物质点法(materialpoint method).对于强形式的欧拉网格求解,该插值格式与"差分"不同之处在于,它具有有限元一样的在任意点处进行"插值"的特点.对于弱形式的积分求解,由于该插值格式具有导数连续性,可以允许积分网格独立于插值网格.这一特点将使得弱形式的数值积分的实施更加灵活方便.      

等参三角形热夹杂的构造及位移场数值计算

在材料制备和机械设计中，局部温升是造成材料失效和故障形成的重要因素之一.依照微观力学中，采用热夹杂模型可以定量深入地揭示与局部温升所关联的力学机理.在过往的研究中，受均匀热本征应变的夹杂模型广受关注；而相关非均匀分布的热本征应变问题，因其理论推导复杂而研究不多.论文首先给出在平面无限域中，受线性分布热本征应变作用的多边形夹杂的位移场解析解.基于格林函数法和围道积分，推导边界线单元的位移响应封闭解，该解通过叠加可直接给出线性热本征应变作用下的任意多边形夹杂的解析表达式.受到有限元分析中等参单元思想的启发，论文进一步将这种“等参元”方法扩展至求解Eshelby夹杂问题中.在该研究中，三角形单元的本征应变插值公式与位置坐标变换式均使用了相同的形函数与节点参数，因而所构建的单元模型称为等参三角形夹杂模型.论文方法可便捷地用于处理受任何分布热本征应变的任意形状二维Eshelby夹杂问题.相较于传统的有限元分析，论文所构建的数值求解方案实施方便且优势明显：只需在夹杂域上进行三角形网格剖分、而无需在无限的基体域上划分网格，因而可以极大地提高前处理便捷性及计算效率.此外，论文所给出的多边形夹杂解析解，...     

A simple quality triangulation algorithm for complex geometries

This paper presents a simple algorithm for quality triangulation in domains with complex geometries. Based on the fact that the equilateral triangles (regular meshes) are ideal for numerical computations in computational fluids dynamics (CFD) analysis, the proposed algorithm starts with an initial equilateral triangle mesh covering the whole domain. Nodes close to the boundary edges satisfy the so‐called non‐encroaching criterion, the distance from any inserted node to any boundary vertices and the midpoints of any boundary edge is greater than a given characteristic length. Both nearly uniform and non‐uniform triangle meshes can be generated using a mesh size reduction technique. Local refinement is achieved by using transition layers. More regular meshes can be generated in the interior of the domain and all angles of the triangle mesh produced by this algorithm are proven to be bounded in a reasonable range (19.5–141°). Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.     

用Voronoi图进行新型自然邻居插值的几何学方法与特性

新的基于Voronoi图的Natural Neighbour插值是自然单元法的数学基础，也是一种新型的几何插值方法，具有与其他传统常用插值不同的构造方法，并表现出一定的优越性。本文介绍了基于Natural Noighbour关系的Sibson插值和non-Sibsonian插值，并与有限元法和无单元法所用的插值方法，就离散插值方案和网格总体特性、形函数支撑域、本征边界条件、空间维数扩展与计算工作量等诸问题进行了比较分析。     

一种快速稳健的并行多块结构动网格方法

为解决传统网格处理方法不能满足复杂外形在大设计空间内进行优化时对网格质量的要求的问题,提出了一种并行多块动网格方法,该方法基于初始外形的多块结构网格,根据优化过程中个体外形与初始外形拓扑结构相近的特性,利用体样条插值方法来拟合多块结构网格各块顶点的位移,得到几何外形变化后的拓扑结构,再利用无限插值方法并行地移动初始外形多块结构网格的边、面和块内的网格点,进行光顺处理后得到变形后几何外形的空间网格;该方法在保证网格质量的同时,可以极大地提高网格生成效率,本文以某翼身组合体为例结果表明,该方法在大设计空间的复杂外形设计问题中具有很强的实用性。     

任意平面区域的高质量有限元网格自动剖分

实现了任意平面区域的高质量三角形有限元网格自动剖分。初始化时利用广度优先搜索查找孔及凹槽中需删除的三角形 ,不需定义有向边界 ,可十分方便地定出实际剖分区域 ;给出了一种方便、快捷的点定位法 ,可大大提高程序运行速度 ;利用Delaunay网格优化算法实现了对三角形形状的控制 ,可使三角形最小角达到 35° ;分割坏三角形时 ,按最小角由小到大的顺序处理 ,使三角形网格在满足质量要求的同时网格数量较少     

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。     

基于Delaunay三角化的无网格法计算结果后处理

最近新发展起来的无网格方法由于不需要显式网格，节省了网格生成所需的大量时间，并且避免了网格畸变问题，所以在处理一些特殊问题如移动边界、大变形、高梯度等方面显示出特殊的优越性。但另一方面也使得计算结果的全域后处理遇到困难。提出了一种基于Delaunay三角形背景网格的实用无网格计算结果后处理方法，以无网格离散节点为顶点生成Delaunay三角形，将无网格法计算得到的节点应力值映射插值得到三角形内的应力场云图颜色。给出的二维线弹性应力分析算例表明方法可靠实用。     

非结构网格变形方法研究进展

动网格技术中的非结构网格变形是计算流体力学和计算固体力学的关键技术之一.本文在总结现有非结构网格变形方法的基础上, 提出了一种网格变形方法的详细分类, 将现有方法归类为虚拟结构法、偏微分方程法和代数法. 本文综述了各类方法的最新研究进展, 分析并比较了各类方法的特性, 评述了当前网格变形研究的几个主要方向:复杂结构外形在不规则变形下的动网格生成、三维动网格生成、并行动网格生成和动节点技术. 最后简要地探讨了该领域的发展趋势.