三维声学特征频率灵敏度分析的边界元法

声系统特征频率的灵敏度分析为其优化设计提供了基础,具有重要意义。边界元法在声学问题的求解中具有独特优势,但因其系统方程系数矩阵的频率相关性导致的非线性特征值问题给声学特征频率的灵敏度分析带来了很大困难。为此,本文首先对非线性特征值问题进行了线性化处理,利用围道积分投影方法将非线性特征方程转换为小规模广义特征方程,然后对其关于设计变量直接求导,并引入左特征向量和转换矩阵构造了一种适用于内外声场的三维声学单/重特征频率灵敏度分析的边界元法。数值算例验证了该方法的适用性,以及对单/重特征频率灵敏度的计算精度。     

基于自适应交叉近似边界元法的快速声学灵敏度分析

基于自适应交叉近似边界元法构造一组快速声学灵敏度分析方法,其中,声学灵敏度分析分别采用直接微分法和伴随变量法;而自适应交叉近似算法被用以克服常规边界元法的高计算量和高存储量的固有缺点。自适应交叉近似算法在迭代求解之前对边界元系数矩阵进行压缩存储,可以在降低存储量的同时提高求解效率。在声学灵敏度分析中,通过直接使用求解未知边界状态值时保存的压缩系数矩阵,可以进一步提高求解效率。数值算例验证了所构造的方法的计算精度和求解效率,以及在大规模声场问题的最优化分析中的应用潜力。     

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.     

基于Lanczos算法的模态重分析法及其在车身结构设计中的应用

模态重分析是指在结构修改之后不需要重新求解广义特征值方程,仅需要根据初始计算结果对修改后的问题进行求解,并能够在保证精度的前提下,提高计算速度。随着结构复杂度和修正量的增加,传统重分析方法的求解精度和稳定性随之下降。为此,利用初始结构模态分析结果,结合Lanczos算法和投影技术,采用缩减基方法求解修改结构的特征值和特征向量,使其同时具备了Lanczos向量快速收敛的优点和基于全局近似的缩减基向量的高精度。为了验证该方法的性能和准确性,对本文方法基于扩展基向量和瑞利-里兹分析的模态重分析法以及改进的单步摄动瑞利商逆迭代法进行了测试。测试结果表明,该方法具有最高的计算精度。同时,将该方法成功用于车架和车门的前期设计中,计算结果表明,该方法具备处理计算规模大、拓扑修改变化量大的结构分析问题的潜力。     

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.      

考虑粘弹性材料频变特性的复合结构频率响应分析

论文采用基于Layerwise离散层理论的有限元板单元建模粘弹性阻尼复合结构,发展了一种考虑粘弹性材料的频变特性的复合结构频率响应计算方法.该方法首先计算结构的质量矩阵和各个频率点下的结构复刚度矩阵,然后求解运动方程的若干阶复特征对并由此计算各阶模态的传递函数,最后将各模态传函线性叠加得到近似的总传函.为了提高计算效率,论文采用了一种高效的数值方法,即只计算若干频率点下的特征向量与特征值,并计算这些点处特征向量关于频率的高阶导数,通过泰勒系数展开逼近和Rayleigh商式,可求得附近若干频率点处的特征向量和特征值,从而避免了在各个频率点下求解大自由度结构特征方程的问题,可以极大地提高计算效率.对一端简支的三层约束阻尼梁算例进行了分析,并与文献中的结果作对比,结果验证了方法的有效性和计算效率.     

用边界元法分析有摩擦弹性接触问题的一个新方法

本文提出了用边界元法分析有摩擦弹性接触问题的一个新方法,即边界元混合法。该方法是用边界元法先求出接触边界的接触内力的影响系数矩阵,再由接触边界的连续性条件求解接触内力,将接触面上的几何非线性转化到局部求解,使接触迭代的计算量大大降低。通过实例,将求出的计算结果同理论解以及其它数值方法的结果进行了比较,表明该方法是非常有效的。     

一种投影浸入边界法的快速直接求解方法

根据投影浸入边界法分步投影求解的特点,同时针对压力泊松方程离散后的大型稀疏线性方程组是非奇异非对称的特点,结合开源函数库UMFPACK,在传递线性方程组的系数矩阵和右端向量时,采用函数库Eigen将系数矩阵的数据结构改写优化,大大降低了存储空间,实现对高维大型稀疏线性方程组的快速求解,同时求解保持良好的稳定性。本文首先利用一具有解析解的数值算例验证了求解泊松方程数值方法的准确性和网格依赖性,进而利用VC++编写投影浸入边界法的数值计算程序,以单圆柱绕流为基准数值算例,通过与其他文献和实验结果的对比,验证了投影浸入边界法数值计算结果的可靠性,并进一步分析了不同雷诺数下圆柱绕流的流场结构特征和尾涡结构的动态演化过程。     

敷设多孔吸声材料声腔特征值分析的径向积分边界元法

由于Helmholtz方程的基本解是频率的函数,因此传统边界元法在处理声场特征值问题时具有天生的缺陷。本文采用Laplace方程基本解生成积分方程,通过径向积分法将在此过程中产生的域积分项转化为边界积分。此方法克服了传统边界元法系数矩阵对频率的依赖,同时克服了特解积分法对特解的依赖,并通过对表面声导纳的多项式逼近,将敷设多孔吸声材料声腔特征值问题转化为矩阵多项式,从而避免了复杂的非线性求解。通过数值算例验证了算法的有效性。     

复数矢径虚拟边界谱方法在二维空穴声辐射和散射问题中的应用

基于复数矢径虚拟边界积分法,通过将虚拟积分曲线上的未知源强密度函数用Fourier级数展开,同时借助快速数值Fourier变换计算程序,提出了一种求解二维任意形状空穴声辐射和散射问题的复数矢径虚拟边界谱方法．该方法具有以下特点：(1)不存在奇异积分处理;(2)采用复数矢径虚拟边界积分方法,不仅保证了解的唯一性,而且由于虚拟源强密度函数采用Fourier级数展开,克服了用单元离散方法不能用于较高频率范围的缺点;(3)采用快速数值Fourier变换技术使计算效率大幅度提高．文中给出的计算结果表明：在求解任意形状二维空穴声辐射和散射问题上较通常采用的FEM、BEM和VBEM更为有效．     

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.      

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.      

基于摄动原理的复杂土层地震反应分析的子结构法

把约束子结构模态综合法与直接模态摄动法相结合,建立复杂场地三维地震反应等效线性化分析计算方法.应用直接模态摄动原理,可简化各子结构模态分析过程,将特征值求解问题转化为线性代数方程组的求解,从而可有效提高计算效率.算例表明,该方法在提高大规模复杂场地地震反应分析计算效率方面优势明显.     

应用分形有限元方法于外域声场计算

 应用二级分形有限元方法计算了外域声场. 用一人工边界把外域声场分为两 部分，人工边界以内使用常规有限元方法，人工边界以外的无限大区域使用分形有限元方法. 使用分形有限元方法的优点是：一方面形成几何自相似网格使得相邻层之间的单元刚度矩阵 和质量矩阵具有非常简单的关系；另一方面引用自动满足无限远辐射条件的全域插值函数把 节点自由度变换为一组广义坐标，因而计算量可以大大减少. 数值算例表明：该方法对于计 算无限大外域声场是有效的.     

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提出了将杂交边界点法和双重互易法结合求解势问题的一种新的算法. 将势问题的解分为通解和特解两部分，通解使用 杂交边界点方法求解，特解则利用局部径向基函数近似. 该方法输入数据只是求解域上离散 的点，不需要额外的方程来计算域内物理量，后处理十分简便. 数值算例表明了该方法的稳 定性和有效性.     

非局部杆纵向振动的特性研究

基于非局部理论，研究弹性杆在任意边界约束条件下的纵向振动特性．根据Chebyshev 谱级数建立非局部弹性杆的纵向位移形式．在杆的两端引入纵向约束弹簧，通过设置弹簧刚度系数，模拟经典边界及弹性边界．建立非局部杆的能量表达式，由瑞利-里兹法得到齐次线性方程组，求解对应的矩阵特征值与特征向量问题获得非局部杆的固有频率和振型．通过数值仿真计算，研究非局部特征系数与边界约束条件对非局部杆振动频率的影响．结果表明本文方法合理简便，具有良好的精度，且适用于任意弹性边界条件．