等参管单元及其在热传导问题边界元法中的应用Isoparametric tube elements and their application in heat conduction BEM analysis

采用边界元法（BEM ）求解实际工程问题时,很大一部分误差来自于离散误差。为此,本文基于Lagrange插值原理,提出了一种三维等参管单元边界元算法,该单元能很好地模拟管状结构的几何外形并对物理量进行高阶插值,大大地消除了离散误差。另外,当在边界元法中使用等参管单元时,提出了一种在等参平面内消除积分奇异性的方法。算例表明,本文算法具有划分网格少,求解精度高的优点。     

边界面法分析三维实体线弹性问题

本文利用以边界积分方程为理论基础的边界面法分析三维实体的线弹性问题。在该方法中,边界积分和场变量插值都是在实体边界曲面的参数空间里进行。积分点的几何数据,如坐标、雅可比、外法向量都是直接由曲面算得,而不是通过单元插值近似,从而避免了几何误差。另外,该方法的实现是直接基于CAD模型中的边界表征数据结构,可以做到与CAD系统无缝集成。在分析中,避免对结构作几何上的简化,结构的所有局部细节都按照实际形状尺寸作为三维实体处理。应用实例表明,本文方法可以简单有效地模拟具有细小特征的复杂结构,可以直接基于三维弹性理论求解薄型壳体结构,可以获得比有限元法更精确的计算结果。     

等参管单元及其在热传导问题边界元法中的应用

采用边界元法(BEM)求解实际工程问题时,很大一部分误差来自于离散误差。为此,本文基于Lagrange插值原理,提出了一种三维等参管单元边界元算法,该单元能很好地模拟管状结构的几何外形并对物理量进行高阶插值,大大地消除了离散误差。另外,当在边界元法中使用等参管单元时,提出了一种在等参平面内消除积分奇异性的方法。算例表明,本文算法具有划分网格少,求解精度高的优点。     

热弹性平面问题的规则化边界积分方程

对于热弹性平面问题,过去广泛集中在直接变量边界元法研究,本文研究间接变量规则化边界元法,建立了间接变量规则化边界积分方程。和直接边界元法相比,间接法具有降低密度函数的连续性要求、位移梯度方程中的热载荷体积分具有较弱奇异性等优点。数值实施中,用精确单元描述边界几何,不连续插值函数逼近边界量。算例表明,本文方法效率高,所得数值结果与精确解相当吻合。     

二维正交各向异性位势问题的高阶单元快速多极边界元法

研制了一种适用于二维正交各向异性位势问题的高阶单元(线性单元和二次单元)快速多极边界元法. 在快速多极边界元法中, 源点对于远场区域的积分采用快速多极展开式计算, 而对于近场区域的积分则直接进行计算. 高阶单元的使用使得近场积分, 尤其是奇异积分和几乎奇异积分的计算更加复杂. 通过引入复数表达对其进行简化, 若边界采用线性单元插值, 近场积分可直接解析计算; 若采用二次单元插值, 则给出一个半解析算法计算近场积分. 高阶单元奇异积分和几乎奇异积分计算难题的解决, 使得高阶单元快速多极边界元法不仅能够计算一般结构, 也能被应用于超薄体结构, 拓宽了高阶单元快速多极边界元法的适用范围. 数值算例表明, 若计算精度一定, 高阶单元快速多极边界元法较常值单元快速多极边界元法使用的单元数量显著减少, 且高阶单元快速多极边界元法计算时间与自由度数量成线性关系, 其计算效率仍处于$O(N)$量级, 因此高阶单元快速多极边界元法可更加高效求解大规模问题.      

复杂三维组合曲面的有限元网格生成方法

提出一种基于映射法的复杂三维组合曲面的有限元网格全自动生成方法。通过引入虚边界解决了闭合曲面在参数域中边界不完整的问题；通过调节虚边界提高了复杂组合曲面网格生成的质量。改进二维多边形区域的裁减算法，解决了闭合曲面在参数空间中的边界环形成问题。对曲面片公共边界进行统一离散化处理，以满足有限元网格的相容性要求。以边界表示(B—Rep)数据结构为基础，实现了组合曲面全自动网格剖分的总成算法．改进了曲面网格剖分布点算法，并结合局部连接、诊断交换等技术，优化了网格的整体质量。     

细分曲面边界元法的黏附吸声材料结构拓扑优化分析

等几何分析采用样条基函数构造几何模型和实施变量近似,实现了计算机辅助设计和辅助工程的无缝连接,并已广泛应用于弹性力学、电磁场和位势问题等领域.然而直接采用等几何方法难以构造复杂模型,限制了该方法在大规模实际工程问题上的应用.细分曲面法可用于克服这一问题,该方法对传统模型的离散网格进行细分和拟合操作,构造出极限光滑曲面,连续性更高,对复杂结构的适用性更强.该方法主要有以下优点:(1)适用于任意拓扑结构;(2)数值计算稳定;(3)实施简单;(4)局部细化与连续性控制.由于该方法在复杂结构模型构造方面具有较强的灵活性和便利性,已被广泛应用于航空航天、汽车、动画、游戏制作等建模领域.将细分曲面法与边界元法相结合进行结构声学分析,几何场与物理场均采用箱样条基函数进行插值近似.以黏附吸声材料结构的声散射问题为例,建立吸声材料分布拓扑优化数学模型,并采用移动渐进线算法进行设计变量更新,最终获得最优材料分布.      

弹性力学问题的虚边界元-配点法

本文提出虚边界方法,建立了离散化虚边界元-配点法,给出了离散化求系数的积分解析式。本文方法完全避免了边界奇异积分及其复杂耗时的运算,成功地提高了普通边界元法(以下简称边界元法)中边界附近区域内包括边界上解的精度,保留了边界元法的优点并扬弃了其弱点。边界元间接法是本文方法中的一个特例。数值算例表明,程序可靠,节省机时,计算精度较高。     

基于等几何边界元法的声学敏感度分析

基于非均匀有理B样条(NURBS)曲面建模技术,边界物理量同样用NURBS基函数插值,推导出三维声场等几何边界积分方程。进一步以控制点为设计变量,用直接微分法推导出等几何敏感度边界积分方程,给出声场声压对形状参量的敏感度。针对边界积分方程中的超奇异积分,使用奇异相消技术并结合Cauchy主值积分和Hadamard有限部分积分处理,给出了超奇异积分的NURBS插值半解析表达式。数值算例验证了本文算法求解声学结构形状敏感度的有效性,为声学结构的整体形状优化打下基础。     

位势边界元法中的边界层效应与薄体结构

边界层效应与薄体结构问题的数值分析是边界元法的难点之一,其实质是近奇异积分的精确计算. 现有的处理近奇异积分的多数方法,特别是精确积分法,通常考虑的是线性几何单元.然而,多数工程问题的几何区域是十分复杂的,采用高阶几何单元近似显然能更好地逼近问题的真实边界,所得结果也将更加精确. 但由于高阶几何单元下的雅可比及被积函数形式的复杂性,相应的近奇异积分的精确计算一直是一个非常困难的问题. 提出一种新的反插值思想和方法,将被积函数中的规则部分用反插值多项式近似,从而导出计算近奇异积分的精确表达式. 数值算例表明,该算法稳定,效率高,在不增加计算量的前提下,极大地改进了近奇异积分计算的精度,成功地解决了边界层效应与薄体结构问题.      

Axisymmetric viscoplastic deformation by the boundary element method

This paper presents a boundary element formulation and numerical implementation of the problem of small axisymmetric deformation of viscoplastic bodies. While the extension from planar to axisymmetric problems can be carried out fairly simply for the finite element method (FEM), this is far from true for the boundary element method (BEM). The primary reason for this fact is that the axisymmetric kernels in the integral equations of the BEM contain elliptic functions which cannot be integrated analytically even over boundary elements and internal cells of simple shape. Thus, special methods have to be developed for the efficient and accurate numerical integration of these singular and sensitive kernels over discrete elements. The accurate determination of stress rates by differentiation of the displacement rates presents another formidable challenge.A successful numerical implementation of the boundary element method with elementwise (called the Mixed approach) or pointwise (called the pure BEM or BEM approach) determination of stress rates has been carried out. A computer program has been developed for the solution of general axisymmetric viscoplasticity problems. Comparisons of numerical results from the BEM and FEM, for several illustrative problems, are presented and discussed in the paper. It is possible to get direct solutions for the simpler class of problems for cylinders of uniform cross-section, and these solutions are also compared with the BEM and FEM results for such cases.     

A high‐order element based adaptive mesh refinement strategy for three‐dimensional unstructured grid

Adaptive mesh refinement (AMR) shows attractive properties in automatically refining the flow region of interest, and with AMR, better prediction can be obtained with much less labor work and cost compared to manually remeshing or the global mesh refinement. Cartesian AMR is well established; however, AMR on hybrid unstructured mesh, which is heavily used in the high‐Reynolds number flow simulation, is less matured and existing methods may result in degraded mesh quality, which mostly happens in the boundary layer or near the sharp geometric features. User intervention or additional constraints, such as freezing all boundary layer elements or refining the whole boundary layer, are required to assist the refinement process. In this work, a novel AMR strategy is developed to handle existing difficulties. In the new method, high‐order unstructured elements are first generated based on the baseline mesh; then the refinement is conducted in the parametric space; at last, the mesh suitable for the solver is output. Generating refined elements in the parametric space with high‐order elements is the key of this method and this helps to guarantee both the accuracy and robustness. With the current method, 3‐dimensional hybrid unstructured mesh of huge size and complex geometry can be automatically refined, without user intervention nor additional constraints. With test cases including the 2‐dimensional airfoil and 3‐dimensional full aircraft, the current AMR method proves to be accurate, simple, and robust.     

GEOMETRIC DRAWING METHOD FOR FORM-FINDING AND FORCE-FINDING FOR TRIANGULAR PRISM OF TENSEGRITY

力学和几何学是密不可分的,本文给出了一种几何作图法进行端面平行时张拉整体三棱柱的找形方法和作图确定自平衡内力大小的找力方法,并推导出找形后张拉整体三棱柱自平衡内力的力密度计算公式,通过算例验证了几何作图法找形与找力的正确性。几何作图法找形和找力方法操作简单,直观可控,可以在CAD软件中实现,甚至可以纸上手绘实现;自平衡力密度公式简单,表达直观,是力密度法的一种几何实现。     

基于球面细分法的高效高精度近奇异积分计算

精确高效地计算近奇异积分,对边界元法的成功实施至关重要,也是边界元法在实际工程计算中面临的主要障碍之一。论文提出了一种基于球面细分技术的近奇异积分计算方法,可以精确计算任意基本解类型、任意单元形状和任意源点位置的近奇异积分。该方法首先通过计算源点到单元的最近最远距离,来确定球面细分的初始半径和终止半径;然后通过一系列半径呈指数级增长的球面来分割积分单元,得到一系列三角形和四边形子单元;最后把细分后得到的子单元变成弧形状,即三角形和四边形子单元分别变成扇形和环形子单元。由于球面细分是直接在三维笛卡尔坐标系下进行的,所以它适用于任何类型的单元。此外,由于基本解主要是源点到场点距离的函数,因此在同等精度下,近奇异积分在子单元的环向上所需要的高斯积分点数将大大减少。在径向方向上,由于球半径系列呈指数级变化,各个子块可以做到等精度高斯积分。数值算例表明,与传统近奇异积分计算方法相比,论文提出的方法更加稳定,精度更高。     

A boundary element method for calculating elastic waves scattered by axisymmetric inclusion

A Boundary Element Method (BEM) is described to compute the scattering of elastic waves by an axisymmetric inclusion in an infinite elastic medium. The boundary loads applied to the inclusion is expanded in terms of Fourier series in an infinite space. The boundary integral equation is solved in the general direction of the axisymmetric inclusion by BEM. The problem of the 3-D scattering of elastic waves is reduced to a 1-Done. According to the geometric features of the axisymmetric in clusion the ring shell elements are adopted in this method. A comparison is made with other BEM methods. The numerical results show this method can reduce the amount of calculation and enhance the speed of convergence. Supported by Foundation of Ph. D Program of State Education Commission of China     

弹性动力学高阶核无关快速多极边界元法

基于核无关的快速多极方法, 发展了一种弹性动力学问题的快速、高精度边界元分析方法. 采用基于二次曲面单元的Nystr?m 离散, 将边界积分方程转化为求和形式, 可以方便地进行加速计算;由于采用二次元, 边界元分析精度很高. 将一种新型快速多极方法用于Nystr?m 边界元法的加速计算, 该方法的数值实现简便、不依赖于积分方程基本解的表达式, 因此通用性很好;该方法还具有最优的计算量和存储量、精度高且可以控制. 结合Nystr?m 边界元系数矩阵和快速多极方法转换矩阵的特点, 提出一种大幅度降低边界元内存消耗的策略. 数值结果表明, 该方法无论在分析精度, 还是计算速度和内存消耗上, 都大大优于同类方法, 是一种快速、通用的工程弹性动力学问题大规模数值分析方法.      

A HIGH ORDER KERNEL INDEPENDENT FAST MULTIPOLE BOUNDARY ELEMENT METHOD FOR ELASTODYNAMICS

基于核无关的快速多极方法, 发展了一种弹性动力学问题的快速、高精度边界元分析方法. 采用基于二次曲面单元的Nyström 离散, 将边界积分方程转化为求和形式, 可以方便地进行加速计算;由于采用二次元, 边界元分析精度很高. 将一种新型快速多极方法用于Nyström 边界元法的加速计算, 该方法的数值实现简便、不依赖于积分方程基本解的表达式, 因此通用性很好;该方法还具有最优的计算量和存储量、精度高且可以控制. 结合Nyström 边界元系数矩阵和快速多极方法转换矩阵的特点, 提出一种大幅度降低边界元内存消耗的策略. 数值结果表明, 该方法无论在分析精度, 还是计算速度和内存消耗上, 都大大优于同类方法, 是一种快速、通用的工程弹性动力学问题大规模数值分析方法.