流固偶合运动的边界元法

本文给出了流固偶合运动(包括物体散射辐射及偶合运动)的边界元法理论和应用.对于散射问题,求出了物体引起的散射势及入射波作用于物体的载荷.对于辐射问题,求出了辐射势及物体在流体中运动的附加质量和附加阻尼.偶合问题包括求其中包含的散射势和辐射势以及作用于物体之上的散射力、物体的附加质量、附加阻尼、物体在入射波作用下的运动.在偶合运动问题中,本文采取了边界积分方程与物体在流体中的运动方程联立求解的方法,并将其运用到边界元法的数值过程中.所编制的程序有较高的精度.最后给出了数值计算结果与理论解的比较.     

改进的泡泡布点方法研究

泡泡布点方法能够在复杂区域内生成高质量的节点集，但是其计算效率仍有待提高，为此本文做了两方面的改进。一是种子填充算法思想应用于节点的初始布置中，从而生成数目合适的节点集，省去了原布点方法中的节点增删过程，有效地节约模拟时间；二是简化了泡泡运动模拟的控制方程，使得运动模拟更加简单。数值算例表明，改进的泡泡布点方法生成的网格平均质量均高于0.94,且计算效率相比原布点方法提高90%以上。因此，改进的泡泡布点方法是一种高质量、高效率且适宜求解大规模问题的节点布置方法。     

多体系统指标2运动方程HHT方法违约校正1）

采用Cartesian绝对坐标建模方法,完整约束多体系统运动方程是指标3的微分--代数方程（differentialalgebraic equations,DAEs）,数值求解指标3的DAEs属于高指标问题,通过对位置约束方程求导,可使运动方程的指标降为2.位置约束方程求导得到的是速度约束方程.直接求解指标3的运动方程,速度约束方程得不到满足,而且高指标DAEs的数值求解存在一些问题.论文首先采用HHT（Hilber--Hughes--Taylor）直接积分方法求解降指标得到的指标2运动方程,此时速度约束方程参与离散计算,从机器精度上讲速度约束自然得到满足,而位置约束方程没有参与计算,存在“违约”.针对违约问题,采用基于Moore--Penrose广义逆理论的违约校正方法,消除位置约束方程的违约.指标2运动方程HHT方法违约校正,将HHT方法和违约校正方法很好地结合,在数值求解指标2运动方程的过程中,位置约束方程和速度约束方程都不存在违约问题,而且新方法没有引入新的未知数向量,离散得到的非线性方程组的方程数量与原指标2运动方程的方程数量相同,求解规模没有扩大.新方法的实用和有效性通过算例的数值实验得到验证,数值实验也说明新方法保持了HHT方法本身具有的数值阻尼可以控制和二阶精度的特性.最后从非线性方程组的求解规模和计算速度上与其他方法进行了比较分析,说明新方法的优势所在.     

裂隙岩体非稳态渗流数值模型及其应用

为解决裂隙岩体非稳态渗流问题, 发展了一种新的数值模型. 对于单裂隙渗 流求解, 其控制方程是基于一定假设的简化Navier-Stokes方程, 数值方法采用有限差分法 和流体体积法. 在裂隙网络中, 交界处渗流可以由专门的控制方程求解. 计算结果表明, 该 数值模型既可以大幅提高非稳态渗流的计算效率, 还可以避免孤立裂隙所带来的影响. 最后, 通过两个工程算例验证该数值模型的适用性.     

等参边界元及其奇性元在管状结构三维裂纹问题中的应用

本文用八节点等参奇性边界元法求解全复合型三维裂纹问题的应力强度因子。应用这种方法可以大大降低网格密度、减少节点数目、提高计算精度和效率,并且可以很容易得到裂纹前沿应力强度因子的连续变化曲线。对于椭圆(或圆)片状裂纹,本文引入了椭圆参数方程,从而能精确地描述裂纹面形状,减少了坐标变换带来的误差。文中用两个算例验证了方法的有效性。最后,作为数值例子,研究了海洋工程管状结构中带表面裂纹的十字形接头问题。     

特征距离和扩充无网格法分析多裂纹相互作用

提出特征距离这一概念对内部基扩充无网格法进行修正,并数值模拟了多裂纹之间的相互作用。特征距离法用于选择内部基扩充无网格Galerkin法的奇异基函数,该方法仅对传统的内部基扩充无网格Galerkin法作了很小的改进,即可方便地应用于求解多裂纹问题;给出了相互作用能量积分计算混合型模式下的应力强度因子,数值模拟了三条内部裂纹和六条边裂纹问题,并与杂交位移不连续边界元法的计算结果进行比较。数值结果表明:修正的内部基扩充无网格法可以方便、有效地求解多裂纹问题,在不增加附加节点和自由度的情况下与杂交位移不连续方法的计算精度非常接近。     

多体系统指标2运动方程HHT方法违约校正

采用Cartesian绝对坐标建模方法,完整约束多体系统运动方程是指标3的微分-代数方程(differentialalgebraic equations,DAEs),数值求解指标3的DAEs属于高指标问题,通过对位置约束方程求导,可使运动方程的指标降为2.位置约束方程求导得到的是速度约束方程.直接求解指标3的运动方程,速度约束方程得不到满足,而且高指标DAEs的数值求解存在一些问题.论文首先采用HHT(Hilber--Hughes--Taylor)直接积分方法求解降指标得到的指标2运动方程,此时速度约束方程参与离散计算,从机器精度上讲速度约束自然得到满足,而位置约束方程没有参与计算,存在"违约".针对违约问题,采用基于Moore--Penrose广义逆理论的违约校正方法,消除位置约束方程的违约.指标2运动方程HHT方法违约校正,将HHT方法和违约校正方法很好地结合,在数值求解指标2运动方程的过程中,位置约束方程和速度约束方程都不存在违约问题,而且新方法没有引入新的未知数向量,离散得到的非线性方程组的方程数量与原指标2运动方程的方程数量相同,求解规模没有扩大.新方法的实用和有效性通过算例的数值实验得到验证,数值实验也说明新方法保持了HHT方法本身具有的数值阻尼可以控制和二阶精度的特性.最后从非线性方程组的求解规模和计算速度上与其他方法进行了比较分析,说明新方法的优势所在.     

改进的PPM格式及其在Riemann问题中的应用

在Collela和Skora提出的PPM格式基础之上,为消除舍入误差带来的影响,发展了一种改进的PPM格式。将改进的PPM格式结合Riemann近似解算子应用于求解Riemann问题。选取双膨胀波和Rayleigh-Taylor不稳定性问题作为算例进行了数值验证,并将改进的PPM格式与原始PPM格式的求解结果进行了对比分析。结果表明:改进的PPM格式相较于原始PPM格式的求解精度有了明显提升;计算结果更加合理,气泡发展曲线与解析解更为接近。     

桁架结构截面优化设计的改进模拟退火算法

将模拟退火算法应用于桁架结构截面尺寸优化设计,提出若干方法改进了算法的鲁棒性、计算效率和求解精度。通过一批经典问题,同时与传统结构优化算法和遗传算法进行了比较。数值结果表明,本文的改进模拟退火算法具有很高的优化求解精度,计算效率有显著提高且优于遗传算法,有望在结构优化设计问题中发挥其特点。     

一种基于Associated Hermite正交函数求解对流扩散方程的算法

提出了一种基于AH(Associated Hermite)正交基函数求解对流扩散方程的无条件稳定算法。该算法将方程的时间项通过Hermite多项式作为正交基函数进行展开,利用Galerkin方法消除时间变量项,从而导出有限维AH域隐式差分方程,突破了传统显式差分格式稳定性条件的限制,最后通过对AH域展开系数的求解得到该对流扩散方程的数值解。在数值算例中,将该算法与传统显示差分法和交替方向隐式差分法进行对比分析,数值计算结果表明,算法无条件稳定且其计算精度与时间步长无关,对于具有精细结构的对流换热问题,该算法具有明显的效率优势,且保持了较高的精度。     

不规则区域平面弹性问题的正则区域重心插值配点法

将不规则区域嵌入到规则的矩形区域,在矩形区域上将弹性平面问题的控制方程采用重心Lagrange插值离散,得到控制方程矩阵形式的离散表达式。在边界节点上利用重心插值离散边界条件,规则区域采用置换法施加边界条件,不规则区域采用附加法施加边界条件,得到求解平面弹性问题的过约束线性代数方程组,采用最小二乘法进行求解,得到整个规则区域上的位移数值解。利用重心插值计算得到不规则区域内任意节点的位移值,计算精度可到10-14以上。数值算例验证了所建立方法的有效性和计算精度。     

三维对流问题的拟协调六面体单元解法

寻找一种高精度的空间单元插值模式是数值求解三维对流问题的关键。在前人研究的基础上,探讨了一种任意空间六面体的拟协凋单元,保证节点上的物理量函数及其一阶导数连续。算例表明,该方法具有良好的计算稳定性和低数值阻尼的优点,且计算工作量大大小于协调单元法,有利于推广应用于对流扩散方程的数值求解。     

水动力学问题的弱可压缩模型求解方法研究

从弱可压缩水动力学方程出发，采用坐标变换的方法处理自由表面，建立了能够模拟有自由表面流动问题的定常、非定常的三维水动力学模型和对流扩散模型，模型采用浮湍流模型进行封闭，并对模型求解的数值方法进行了研究。     

局部坐标有限分析法解材料非线性结构问题

本文首次将有限分析法应用于分析固体力学中的弹塑性问题,导出了二维全量理论弹塑性边值问题的计算格式。采用了局部坐标变换,使该方法能有效地用于求解某些几何形状较复杂的平面问题。算例表明,这一方法解非线性问题是有效的。     

不规则区域平面弹性问题的正则区域重心插值配点法

将不规则区域嵌入到规则的矩形区域,在矩形区域上将弹性平面问题的控制方程采用重心Lagrange插值离散,得到控制方程矩阵形式的离散表达式。在边界节点上利用重心插值离散边界条件,规则区域采用置换法施加边界条件,不规则区域采用附加法施加边界条件,得到求解平面弹性问题的过约束线性代数方程组,采用最小二乘法进行求解,得到整个规则区域上的位移数值解。利用重心插值计算得到不规则区域内任意节点的位移值,计算精度可到10^-14以上。数值算例验证了所建立方法的有效性和计算精度。     

爆炸对自然磁场干扰机理

爆炸产生的电磁场对爆炸测试有较明显的干扰,一些含金属炸药产生的电磁干扰甚至可以使设备失效,为了给出爆炸产生电磁效应的理论分析方法和特性,针对常规炸药爆炸过程中观察到的自然磁场扰动现象进行理论机理和数值模拟研究.采用热平衡电离理论描述爆炸过程中产生的电离气体,结合爆炸问题的数值模拟方法,获得爆炸场中电导率的时空分布,计算磁场扩散率;基于非理想全磁流体力学方程求解一定磁扩散率下等离子体高速运动引起的自然磁场扰动,实现爆炸产生磁场效应的二维模拟;对比炸药不同起爆条件对产生磁场扰动的影响,结果表明:炸药起爆参数对磁场扰动有很大的影响,这种影响源自于电导率的巨大差异,虽然爆轰产物的高速运动有引起磁场大幅度扰动的能力,然而只有具有一定电导率的爆轰气体才能冻结磁场扰动.数值模拟结果与文献中的结果进行了对比,模拟得到的由电磁波引起的磁场扰动在时间尺度上与文献结果符合较好,从一定程度上证明了数值模拟方法的可靠性.本文的数值模拟结果指出炸药几何构型不对称的时候,在自然磁场取不同方向时将会产生不同的磁场扰动强度,而这是目前该领域中尚且无人关注和讨论过的问题.     

超临界轴向运动梁横向非线性振动频域分析

数值方法研究超临界速度下轴向运动梁横向非线性振动前两阶固有频率.通过对非平凡平衡位形做坐标变换,建立超临界轴向运动梁的标准控制方程,一个积分-偏微分非线性方程.利用有限差分法数值离散梁两端简支边界下控制方程,计算轴向运动梁中点的横向振动位移,并将计算结果作为时间序列,运用离散傅立叶变换得到超临界轴向运动梁横向振动的频率...     

爆炸对自然磁场干扰机理

爆炸产生的电磁场对爆炸测试有较明显的干扰, 一些含金属炸药产生的电磁干扰甚至可以使设备失效, 为了给出爆炸产生电磁效应的理论分析方法和特性, 针对常规炸药爆炸过程中观察到的自然磁场扰动现象进行理论机理和数值模拟研究. 采用热平衡电离理论描述爆炸过程中产生的电离气体, 结合爆炸问题的数值模拟方法, 获得爆炸场中电导率的时空分布, 计算磁场扩散率; 基于非理想全磁流体力学方程求解一定磁扩散率下等离子体高速运动引起的自然磁场扰动, 实现爆炸产生磁场效应的二维模拟; 对比炸药不同起爆条件对产生磁场扰动的影响, 结果表明: 炸药起爆参数对磁场扰动有很大的影响, 这种影响源自于电导率的巨大差异, 虽然爆轰产物的高速运动有引起磁场大幅度扰动的能力, 然而只有具有一定电导率的爆轰气体才能冻结磁场扰动. 数值模拟结果与文献中的结果进行了对比, 模拟得到的由电磁波引起的磁场扰动在时间尺度上与文献结果符合较好, 从一定程度上证明了数值模拟方法的可靠性. 本文的数值模拟结果指出炸药几何构型不对称的时候, 在自然磁场取不同方向时将会产生不同的磁场扰动强度, 而这是目前该领域中尚且无人关注和讨论过的问题.      

三维高超音速球锥粘性绕流的计算

近二十年内,三维边界层方程的数值计算方法有了很大发展。由于求解三维边界层方程必须先得到无粘流场,或者二者进行迭代,其所需计算机的存储量及计算时间无疑是大量的。为此,发展和完善三维简化N-S方程(亦称广义边界层方程)的数值解法就日益显得重要起来。Rubin等及Helliwell等对抛物化的N-S方程(保留侧向扩散项)提     

含旋转椭球形夹杂复合材料的弹塑性本构关系

在体胞模型的基础之上应用解析方法分析了颗粒或短纤维增强复合材料的本构行为，结合数值计算给出了表征材料本构关系的解析表达式，提出了一种新的正交椭球坐标变换以简化推导过程，在计算中，将真实位移场分为两部分：基本场的扰动场，然后通过摄动方法将原来的非线性问题转化为一组线性方程组的求解，计算了当基体材料和夹杂的特征参数取不同值时的应力应变曲线，并与已有的实验和分析结果进行了比较，符合得较好，通过对数值计算结果的拟合，提出了一个颗粒或短纤维增强复合材料的弹塑性本构关系的解析表达式。