裂纹问题的一致性高阶无网格法

一致性高阶无网格法能高效精确地求解连续体问题，尤其是能得到高精度的应力场。本文将该方法拓展到应力解析精度至关重要的裂纹问题（即非连续体问题）的数值分析。采用背景积分网格描述裂纹几何，基于无需增加节点额外自由度的虚拟节点法描述裂纹处位移场的间断，提出了虚拟节点的引入算法和断裂单元的数值积分方法。为进一步模拟裂纹扩展，采用相互作用积分方法计算应力强度因子，裂纹的扩展方向由最大周向应力准则确定。数值结果表明，本文发展方法能够精确地通过间断分片试验；相较于标准的高阶无网格法和低阶一致性无网格法，本文的一致性高阶无网格法显著改善了应力强度因子的计算精度，能够准确预测裂纹扩展路径。     

薄板弯曲分析的高阶高效无网格法

与传统有限元法相比，无网格法具有节点形函数高度光滑、易于形成高阶近似等优势，更适合于以薄板弯曲问题为代表的高阶偏微分方程的数值求解。然而，高阶无网格法的形函数是非多项式的有理函数，导致弱形式的区域积分难以得到精确计算，通常采用的高阶高斯积分方法需使用大量积分点，计算效率低且精度不高。本文针对薄板弯曲问题的高阶（三阶）无网格法分析，首次发展了与该高阶近似相一致的曲率光顺方案，并基于背景三角形积分单元建立了相应的数值积分格式，大幅度减少了所需的积分点数目。所发展方法的关键在于计算刚度阵所需的形函数的二阶导数由形函数及其一阶导数通过散度定理确定，而非对形函数直接求导获得。数值结果表明，基于标准的高斯积分方案的高阶无网格法精度不高，不能精确再现纯弯曲和线性弯曲模式，且得到的弯矩场分布存在严重的虚假数值振荡。而本文所建议的基于曲率光顺方案的高阶无网格法能够方便高效地求解薄板弯曲问题，尤其是它能精确反映纯弯曲和线性弯曲模式。与标准的高斯积分方法和目前主流的常曲率光顺方法相比，本文方法在计算效率、精度、弯矩分布等方面均展现出显著优势，因而具有较好的应用价值。     

无网格稳定配点法及其在弹性力学中的应用

伽辽金型无网格法具有精度高、稳定性好的优点,但是实现高阶准确积分过程复杂,计算效率低.配点型无网格法的计算效率高,但是其在求解复杂问题时往往会出现精度和稳定性较差的结果.本文介绍一种新的无网格法-无网格稳定配点法,采用重构核近似作为近似函数,在规则子域内非常容易实现高阶准确积分,既保留了配点型无网格法效率高的特点,又具备伽辽金型无网格法精度高和稳定性好的特点,而且还兼具有限体积法满足局域离散方程守恒的特点.通过弹性力学算例验证了该算法的优越性,未来可将其进一步应用于流体和流固耦合问题分析.     

自适应一致性高阶无单元伽辽金法

近来提出的一致性高阶无单元伽辽金法通过导数修正技术大幅度减少了所需积分点数目,并能够精确地通过线性和二次分片试验,显著改善标准无单元伽辽金法的计算效率、精度和收敛性.本文在此基础之上,充分利用无单元法易于在局部区域添加节点的优势,发展了一致性高阶无单元伽辽金法的h型自适应分析方法.根据应变能密度梯度该方法自适应地确定需节点加密的区域,基于背景积分网格的局部多层细化要求生成新的计算节点,同时考虑了节点分布由密到疏渐进过渡的情形.采用相邻两次计算的应变能的相对误差作为自适应过程的停止准则,将所发展自适应无网格法应用于由几何外形、边界外载和体力等因素造成的应力集中问题的计算分析.数值结果表明,所发展方法能够自适应地对高应力梯度区域进行节点加密,自动给出合理的计算节点分布.与已有的标准无网格法的自适应分析相比,所发展方法在计算效率、精度和应力场光滑性等方面均展现出显著优势.与采用节点均匀分布的一致性高阶无单元伽辽金法相比,它大幅度地减少了计算节点数目,有效提高了一致性高阶无单元伽辽金法在分析应力集中等存在局部高梯度问题时的计算效率和求解精度.     

基于四边形积分子域的一致性高阶无网格法

近来提出的一致性高阶无网格法通过发展导数修正技术大幅度减少了所需积分点数目,并能够精确地通过分片试验,从而显著改善无网格计算的效率、精度和收敛性。然而,由于导数修正方程数目须与积分点数目相匹配,该方法仅限于使用三角形积分子域。在保留原有导数修正方程的基础上,提出了修正导数的共面条件,并据此建立补充方程,使得方程总数可匹配于所需的积分点数目,从而将一致性高阶无网格法方便地拓展到使用四边形积分子域。数值结果表明,本文方法精确地通过了分片试验,并展现出极好的计算精度、效率和收敛性。     

裂纹问题的一致性高阶无网格法

一致性高阶无网格法能高效精确地求解连续体问题,尤其是能得到高精度的应力场。本文将该方法拓展到应力解析精度至关重要的裂纹问题(即非连续体问题)的数值分析。采用背景积分网格描述裂纹几何,基于无需增加节点额外自由度的虚拟节点法描述裂纹处位移场的间断,提出了虚拟节点的引入算法和断裂单元的数值积分方法。为进一步模拟裂纹扩展,采用相互作用积分方法计算应力强度因子,裂纹的扩展方向由最大周向应力准则确定。数值结果表明,本文发展方法能够精确地通过间断分片试验;相较于标准的高阶无网格法和低阶一致性无网格法,本文的一致性高阶无网格法显著改善了应力强度因子的计算精度,能够准确预测裂纹扩展路径。     

薄板弯曲分析的节点积分高阶无网格法

采用高阶无网格法求解薄板弯曲问题，在已发展的线性曲率光顺方案的基础上，通过引入泰勒展开技术，建立了能够精确再现纯弯曲和线性弯曲模式的节点积分方法。与之相比，目前无网格薄板分析主要采用的节点积分方法仅能精确再现纯弯曲模式。数值结果表明，本文方法可精确通过纯弯曲和线性弯曲试验，且能得到光滑、无振荡的弯矩场。与标准的高斯积分方法和目前已存在的节点积分方法相比，本文方法在计算精度、效率以及弯矩分布等方面均展现出显著优势。     

基于S-R和分解定理的三维几何非线性无网格法

S-R(strain-rotation)和分解定理克服了经典有限变形理论的一些缺点, 使其可以为几何非线性数值分析提供可靠的理论基础. 对于大变形问题, 由于无网格法(element-free method)避免了对单元网格的依赖, 从而从根本上避免了有限单元法(finite element method, FEM)的单元畸变问题, 保证了求解精度. 因此, 将无网格法和S-R和分解定理结合起来势必能建立一套更加合理可靠的几何非线性数值计算方法. 目前基于S-R 定理的无网格数值方法研究较少并且只能用于二维平面问题的求解, 但实际上绝大多数问题都必须以三维模型来进行处理, 因此建立适用于三维情况的S-R无网格法是非常有必要的. 本文给出了适用于三维情况的S-R 无网格法: 采用由更新拖带坐标法和势能率原理推导出来的增量变分方程, 利用基于全局弱式的无网格Galerkin 法(EFG)得到了用于求解三维空间问题的离散格式. 利用MATLAB编制三维S-R 无网格法程序, 对受均布载荷的三维悬臂梁和四边简支矩形板结构的非线性弯曲问题进行了计算. 最后将所得的数值结果与已有文献进行了比较, 验证了本文的三维S-R无网格数值算法的合理性、有效性和准确性. 本文的三维S-R无网格数值算法可以作为一种可靠的三维几何非线性数值分析方法.      

动力分析的二阶一致无网格法

为改善无网格法动力分析的效率和精度,将具有二阶一致性的三点积分方法(Quadratically Consistent 3-point integration method,QC3)从静力问题的无网格法分析拓展到弹性动力问题;形函数采用二次的移动最小二乘近似;采用修正的节点导数计算积分点上的刚度阵;并应用Newmark法进行时域积分。数值计算结果表明:QC3对于动力分析十分有效,相比于仅满足线性一致性的一点积分方法(Linear Consistent 1-point integration method,LC1),精度提高了一个数量级,且可以得到光滑无振荡的应力场;与标准的三角形(Standard Triangle,ST)16点积分方案相比,计算精度相当,但仅消耗了约为其1/6的CPU时间。     

高阶数值流形方法的初应力公式

高阶数值流形方法和高阶DDA方法可以显著提高结构变形的计算精度,但目前涉及几何非线性问题的研究成果大都计算精度差甚至不收敛,这是由高阶初应力公式的不准确或不正确引起的。本文介绍数值流形方法的大变形计算格式,基于平面三角形数学网格和多项式覆盖函数,提出高阶流形法的两种初应力处理方法,首次导出了高阶初应力的准确公式。该公式在分步计算的初应力累加中考虑了大变形结构的构形变化,并将初应力表示成多项式函数形式以满足单纯形积分的要求。文中给出的悬臂梁大变形数值算例与理论解的对比结果证明了方法的正确性。本文的方法和公式也适用于三维四面体数学网格,稍加修改后将可应用于高阶DDA方法和常规的有限元方法。     

伽辽金型无网格法的数值积分方法

无网格法直接通过节点信息构造形函数,不依赖于节点之间的有序单元连接,能够建立任意高阶连续的整体协调形函数.与传统的有限元法相比,无网格法对大变形问题、移动边界问题和高阶问题的求解有比较明显的优势.伽辽金型无网格法是目前应用最为广泛的一类无网格法.虽然无网格形函数本身不依赖于单元,但伽辽金型无网格法需要采取合适的方法进行弱形式的数值积分.由于无网格形函数一般不是多项式,具有非插值性且影响域与背景积分网格通常不重合,伽辽金型无网格法通常需要采用高阶的高斯积分进行数值积分,导致了计算效率低下,难于求解大型实际问题.因此,如何通过建立高效积分方法提高无网格法的计算效率成为无网格法研究领域的一个核心问题.论文总结了伽辽金型无网格法中若干常用的数值积分方法,并对伽辽金型无网格法的数值积分方法领域存在的一些问题进行了探讨.     

基于径向基函数配点法的梁板弯曲问题分析

采用径向基函数配点法分析考虑剪切效应的梁板弯曲问题，该方法利用径向基函数作为近似函数，基于配点法离散方程，通过最小二乘法求解。径向基函数配点法在离散和计算过程中不需要任何形式的网格划分，是一种真正的无网格法；径向基函数可以用一元函数来描述多元函数，存在明显的储存和运算简单的特点；而基于配点法求解不需要积分，提高了计算效率。分析考虑剪切效应的薄梁板问题时，传统的有限元法或无网格法求解均会存在剪切锁闭问题，而径向基函数在全域内存在无限连续性，能够准确地满足Kirchhoff约束条件，因此径向基函数配点法能够消除剪切锁闭现象，而且不会出现应力波动。该方法的优势在于，其不仅易于离散、精度高，而且具有指数收敛率，计算效率高。数值算例验证了上述结论和该方法的稳定性。     

薄板分析的线性基梯度光滑伽辽金无网格法

薄板问题的控制方程为四阶微分方程,因而当采用伽辽金法进行分析时,形函数需要满足C$^{1}$连续性要求,且至少使用二次基函数才能保证方法的收敛性.无网格形函数虽然易于满足C$^{1}$连续性要求,但由于不是多项式,其二阶导数的计算较为复杂耗时,同时也对刚度矩阵的数值积分提出了更高的要求.本文提出了一种薄板分析的线性基梯度光滑伽辽金无网格法,该方法的基础是线性基无网格形函数的光滑梯度.在梯度光滑构造的理论框架内,无网格形函数的二阶光滑梯度可以表示为形函数一阶梯度的线性组合,因而可以提高形函数二阶梯度的计算效率.分析表明,线性基无网格形函数的光滑梯度不仅满足其固有的线性梯度一致性条件,还满足本属于二次基函数对应的额外高阶一致性条件,因此能够恰当地运用到薄板结构的伽辽金分析.此外,插值误差分析也很好地验证了线性基无网格光滑梯度的收敛特性.算例结果进一步表明,线性基梯度光滑伽辽金无网格法的收敛率与传统二次基伽辽金无网格法相当,但精度更高,同时刚度矩阵所需的高斯积分点数明显减少.      

An efficient Galerkin meshfree formulation for shear deformable beam under finite deformation

This paper proposes a geometrically nonlinear total Lagrangian Galerkin meshfree formulation based on the stabilized conforming nodal integration for efficient analysis of shear deformable beam. The present nonlinear analysis encompasses the fully geometric nonlinearities due to large deflection, large deformation as well as finite rotation. The incremental equilibrium equation is obtained by the consistent linearization of the nonlinear variational equation. The Lagrangian meshfree shape function is utilized to discretize the variational equation. Subsequently to resolve the shear and membrane locking issues and accelerate the computation, the method of stabilized conforming nodal integration is systematically implemented through the Lagrangian gradient smoothing operation. Numerical results reveal that the present formulation is very effective.