基于行消元回代法的多域边界元分析方法

提出了一种用多域边界元技术求解大型工程问题的新算法. 首先, 采用三步变量凝聚技术, 将由内部点、边界点和公共结点表述的每一子域的基本边界元代数方程表述成只有公共结点变量为未知量的代数方程, 然后, 根据公共结点的平衡方程和协调条件组集具有稀疏系数特征的总体系统方程组. 为了有效求解该系统方程组, 首次在边界元法中引进一种能有效求解大型非对称稀疏系数矩阵方程组的行消元回代法(REBSM), 该方法可在方程的每一行组形成时进行消元和回代, 当方程组组集完毕后即可得到方程的解, 不需要最后的回代过程. 因为一些项的重复计算在每一行的处理中合并掉, 因此REBSM要比传统的高斯消元法需要较少的内存, 而且计算速度具有数量级的提高, 可为边界元法求解大型工程问题提供有力的方程求解器.     

应变局部化分析的嵌入强间断多尺度有限元法

固体材料的应变局部化行为是导致结构破坏失效的重要因素之一,开展相关数值模拟分析对于结构安全性评估具有重要意义.然而由于材料的非均质和多尺度特性,采用传统数值方法进行求解时通常需要从最小特征尺度离散求解的结构,这将大幅度增加计算规模和成本.针对这一问题,本文提出了一种基于嵌入强间断模型的多尺度有限元方法.该方法从粗细两个尺度离散求解模型,首先在细尺度单元上引入嵌入强间断模型来描述单元间断特性,所附加的跳跃位移自由度则通过凝聚技术进行消除,从而保持细尺度单元刚度阵维度不变.其次,提出了一种增强多节点粗单元技术,其可根据局部化带与粗单元边界相交情况自适应动态地增加粗节点,新构造的增强数值基函数可以捕捉细尺度间断特性,完成物理信息从细单元到粗单元的准确传递以及宏观响应的快速分析;再次,在细尺度解的计算中,将细尺度解分解为降尺度解与单胞局部摄动解,从而消除弹塑性分析时单胞内部的不平衡力.最后,通过两个典型算例分析,并与完全采用细单元的嵌入有限元结果进行对比,验证了所提出算法的正确性与有效性.     

一种基于直接计算高阶奇异积分的断裂力学双边界积分方程分析法

相对于有限元法,边界单元法在求解断裂问题上有着独特的优势,现有的边界单元法中主要有子区域法和双边界积分方程法.采用一种改进的双边界积分方程法求解二维、三维断裂问题的应力强度因子,对非裂纹边界采用传统的位移边界积分方程,只需对裂纹面中的一面采用面力边界积分方程,并以裂纹间断位移为未知量直接用于计算应力强度因子.采用一种高阶奇异积分的直接法计算面力边界积分方程中的超强奇异积分;对于裂纹尖端单元,提供了三种不同形式的间断位移插值函数,采用两点公式计算应力强度因子.给出了多个具体的算例,与现存的精确解或参考解对比,可得到高精度的计算结果.     

求解含钝裂纹体应力场的扩展单元方法

本文基于钝裂纹端部位移场的渐近解和等参元构造方法,开发了一种新的适合钝裂纹端部应力场计算的扩展单元法,为了消除不同单元间的位移不协调又在扩展单元的基础上提出过渡单元.和常规的等参元相比,扩展单元除了以节点位移为待求未知量外,它们额外增加了Ⅰ型和Ⅱ型广义应力强度因子作为未知量.根据这个理论我们编制了有限元的程序并计算了算例,算例表明,在网格较大的情况下,与常规等参元计算方案相比,扩展单元和过渡单元法更好地接近理论值,它具有计算精度高、减少缺陷附近的单元数量和计算时间等优点.     

改进型扩展比例边界有限元法

结合了扩展有限元法(extended finite elementmethods,XFEM)和比例边界有限元法(scaled boundary finite elementmethods,SBFEM)的主要优点,提出了一种改进型扩展比例边界有限元法(improvedextended scaled boundary finite elementmethods,$i$XSBFEM),为断裂问题模拟提供了一条新的途径.类似XFEM,采用两个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面,并基于水平集函数判断单元切割类型;将被裂纹切割的单元作为SBFE的子域处理,采用SBFEM求解单元刚度矩阵,从而避免了XFEM中求解不连续单元刚度矩阵需要进一步进行单元子划分的缺陷;同时,借助XFEM的主要思想,将裂纹与单元边界交点的真实位移作为单元结点的附加自由度考虑,赋予了单元结点附加自由度明确的物理意义,可以直接根据位移求解结果得出裂纹与单元边界交点的位移;对于含有裂尖的单元,选取围绕裂尖单元一圈的若干层单元作为超级单元,并将此超级单元作为SBFE的一个子域求解刚度矩阵,超级单元内部的结点位移可通过SBFE的位移模式求解得到,应力强度因子可基于裂尖处的奇异位移(应力)直接获得,无需借助其他的数值方法.最后,通过若干数值算例验证了建议的$i$XSBFEM的有效性,相比于常规XFEM,$i$XSBFEM的基于位移范数的相对误差收敛性较好;采用$i$XSBFEM通过应力法和位移法直接计算得到的裂尖应力强度因子均与解析解吻合\较好.      

含裂纹粘接结构的边界元应力分析

本文采用子域法和直接应力奇异单元法求解二维粘接结构中的裂纹问题。子域法把粘接结构划分为三个子域,根据每个子域的边界积分方程和子域间的界面条件,可以建立粘接结构的边界积分方程组。直接应力奇异单元能够在整个单元长度上反映裂纹端部的1/r~(1/2)奇异性,在计算时可以通过坐标变换消除奇异单元积分中的奇异性,直接计算出应力强度因子。含裂纹多层结构的数值示例和粘接补强单边裂纹板的应力测试和疲劳试验结果证实了本文方法的有效性。     

边界元法边界层处理的一种新方法—拟多连域法

提出了处理边界元法边界层问题的新方法。这种方法在求得边界未知量后，在距边界较远的域中构造一工作边界，将实际边界与工作边界看作一多连域问题求得工作边界的未知量。再将工作边界与边界层边界视为一多连域问题求解，可得到满足精度要求的边界附近点的位移与应力。这种方法理论简洁、计算方便、有效、精度高，对于需求边界上多点的未知量问题很具优越性     

近场动力学与有限元的混合建模方法

综述了近场动力学与有限元混合建模方法的研究进展,阐明了各种混合建模方法的基本原理与特点,并重点介绍本课题组在近场动力学与有限元方法混合建模方面的研究工作。现有近场动力学与有限元混合建模方法包括位移协调约束、力耦合、混合函数方法以及子模型方法等,除子模型方法外,都可归结为并行式多尺度分析方法,其基本思想是将计算结构划分为近场动力学子域、有限元子域以及两者的交界区域(或重叠区域、或界面单元、或过渡区域)。子模型方法可归结为显-显分析方法,先采用显式有限元进行整体分析,后采用近场动力学方法对重点区域进行分析。混合建模方法需要着重提高交界区域的计算精度,并且消除虚假力和虚假应力波问题。提出了通过力耦合的近场动力学与有限元混合建模的隐式分析方法,该方法不再设置重叠区,通过杆单元连接近场动力学子域与有限元子域,其中界面上的有限元结点不仅与其所在单元的其他结点发生作用,还通过杆单元与以其为圆心、一定半径的圆域内的其他物质点相互作用。研究表明,本文提出的混合模型和求解方法既能有效解决裂纹扩展等不连续问题,又可提高计算效率,为工程结构破坏问题的计算分析提供一种有效方法。     

无单元Galerkin法和边界元耦合法

无网格方法与有限元法或边界元法耦合是无网格方法处理边界条件的方法之一,在无网格方法中研究无网格方法与有限元法或边界元法耦合的研究显得非常重要.本文在无单元Galerkin法和边界元法的基础上,基于无单元Galerkin法子域和边界元法子域的界面上位移连续和面力平衡条件,提出了一种新的无单元Galerkin法和边界元法的直接耦合方法,对弹性力学问题详细推导了在整个求解域上的耦合公式.与以往的耦合法相比,这种方法简单直观,不需要增加新的耦合区域,也不需要建立新的逼近函数来保证界面位移的连续性.算例结果表明,该方法具有较好的计算精度.     

弹性力学的重构核粒子边界无单元法与有限元的耦合法

将重构核粒子边界无单元法(RKP-BEFM)与有限元法(FEM)耦合,形成求解具有区域特征的弹性力学问题的重构核粒子边界无单元与有限元的耦合方法RKP-BEF/FE.推导了重构核粒子边界无单元与有限元耦合方法的离散化公式,建立了节点未知量的耦合方程.重构核粒子边界无单元法和有限单元法的较高精度保证了这一直接耦合方法的成功实现与求解精度.最后给出了平面问题的数值算例,验证了提出的耦合方法RKP-BEF/FE的有效性.     

An eight noded composite plate element for the dynamic analysis of spatial mechanism systems

The development of a shear-deformable laminated plate element, based on the Mindlin plate theory, for use in large reference displacement analysis is presented. The element is sufficiently general to accept an arbitrary number of layers and an arbitrary number of orthotrophic material property sets. Coordinate mapping is utilized so that non-rectangular elements may be modeled. The Gauss quadrature method of numerical integration is utilized to evaluate volume integrals. A comparative study is done on the use of full Gauss quadrature, reduced Gauss quadrature, mixed Gauss quadrature, and closed form integration techniques for the element. Dynamic analysis is performed on the RSSR (Revolute-Spherical-Spherical-Revolute) mechanism, with the coupler modeled as a flexible plate. The results indicate the differences in the dynamic response of the transverse shear deformable eight-noded element as compared to a four-noded plate element. Dynamically induced stresses are examined, with the results indicating that the primary deformation mode of the eight-noded Mindlin plate model being bending.     

Preconditioned Iterative Methods for Linear Equations Arising from the Boundary Element Method

A precondition for the Gauss–Seidel iterative method to solve a linear system of equations arising from the boundary element method for the Laplace and convective diffusion with first-order reaction problems is presented in this paper. The present precondition is based on the elementary matrix operation. We discuss the effect of the precondition in comparison with the Gauss elimination (GE) method in some numerical experiments.     

Analysis of convective diffusion problem with first-order chemical reaction by boundary element method

A boundary element method is presented for a steady state convective diffusion problem with a first-order chemical reaction. In the chemical reaction system the usual conservation law for calculation of the diagonal components of the matrix H cannot be satisfied. Thus in the boundary element formulation the emphasis is laid on how to compute these diagonal components. The main aim of this paper is to present the method of numerical quadrature to obtain the principal values, using the splitting technique to treat the singular integration.     

六面体单元下预应力等代荷载计算

对于具有复杂几何形状的桥梁，用体单元进行有限元分析有得天独厚的优势。预应力在有限元分析中一般按等代荷载考虑，但体单元的预应力等代荷载计算很少见到讨论。笔者提出一种运用高斯积分和牛顿迭代法的数值算法计算体单元情况下的预应力等代荷载，该方法能够适应各种复杂的预应力钢束形状。经过算例检验，该方法有很高的精度。     

一种改进格林元方法及在渗流问题中的应用

采用格林公式和基本解推导出直接边界积分方程来求解渗流问题.边界积分方程数值离散基于格林元方法(Green element methond),改进了原方法中压力和压力导数的求解方法,命名为混合边界元方法(Mixed boundary element method).相较于格林元类方法,该方法显式考虑了求解节点的外法向流量值和压力值,并使求得的数值解在求解区域上能够连续,符合实际的物理过程,在不增加额外未知数的情况下提高了计算精度.分析了不同网格类型对模拟计算结果的影响,并对稳定渗流问题、非稳定(瞬态)渗流问题和非稳态问题进行了实例计算,结果显示改进方法提高了计算精度,并对各类渗流问题有较好的适应性.     

Boundary element analysis of contact problems using artificial boundary node approach

An improved version of the regular boundary element method, the artificial boundary node approach, is derived. A simple contact algorithm is designed and implemented into the direct boundary element, regular boundary element and artificial boundary node approaches. The exisiting and derived approaches are tested using some case studies. The results of the artificial boundary node approach are compared with those of the existing boundary element program, the regular element approach, ANSYS and analytical solution whenever possible. The results show the effectiveness of the artificial boundary node approach for a wider range of boundary offsets.     

基于混凝土裂纹数字图像的有限元网格生成

通过结合数字图像处理技术、边界矢量化技术与有限元网格自动生成技术,提出了基于数字图像的混凝土构件裂纹有限元分析方法。本文以混凝土裂纹为研究对象,先采用Canny算子提取裂纹边缘,对中断的边缘和伪边缘利用顺序边缘连接算法进行连接和剔除;然后,通过矢量化技术将裂纹边界拟合成小线段;最后在矢量化边界的基础上,利用自动生成技术生成裂纹结构的有限元网格,实现对裂纹区域受力情况的分析。实验结果表明:本文提出的方法可实现混凝土结构裂纹的图像监测与力学分析的一体化,能够大幅提高现役结构的评估速度和效率。     

求解位势问题的虚边界元法

本文提出了求解位势问题的虚边界元法，建立了位势问题的虚边界元的离散方程式，推导了离散化求系数的积分解析式。该方法与传统边界元法相比具有不存在奇异积分和边界附近精度较高等优点，可用来计算真空静电场、稳定温度场、流体绕流、介质中的渗流等各类位势问题。大量算例均获得了满意的结果。     

Boundary element calculation of shallow water waves

A boundary element method is proposed for studying periodic shallow water problems. The numerical model is based on the shallow water equation. The key feature of this method is that the boundary integral equations are derived using the weighted residual method and the fundamental solutions for shallow water wave problems are obtained by solving the simultaneous singular equations. The accuracy of this method is studied for the wave reflection problem in a rectangular tank. As a result of this test, it has been shown that the number of element divisions and the distribution of nodes are significant to the accuracy. For numerical examples of external problems, the wave diffraction problems due to single cylindrical, double cylindrical and plate obstructions are analysed and compared with the exact and other numerical solutions. Relatively accurate solutions are obtained.     

Potential flow around obstacles using the scaled boundary finite‐element method

The scaled boundary finite‐element method is a novel semi‐analytical technique, combining the advantages of the finite element and the boundary element methods with unique properties of its own. The method works by weakening the governing differential equations in one co‐ordinate direction through the introduction of shape functions, then solving the weakened equations analytically in the other (radial) co‐ordinate direction. These co‐ordinate directions are defined by the geometry of the domain and a scaling centre. The method can be employed for both bounded and unbounded domains. This paper applies the method to problems of potential flow around streamlined and bluff obstacles in an infinite domain. The method is derived using a weighted residual approach and extended to include the necessary velocity boundary conditions at infinity. The ability of the method to model unbounded problems is demonstrated, together with its ability to model singular points in the near field in the case of bluff obstacles. Flow fields around circular and square cylinders are computed, graphically illustrating the accuracy of the technique, and two further practical examples are also presented. Comparisons are made with boundary element and finite difference solutions. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.