无单元法（EFGM）——在岩土工程上有限元法的有力补充

作为一种新的岩土工程数值计算方法，无网格伽辽金法具有局部化技术的无单元特性。该法与传统FEM相比，在精度和后处理等方面有着明显的计算优势。本文全面介绍了EFGM，并结合岩土工程领域中的土体固结变形问题，推导了EFGM的一维、二维固结问题的离散方程；同时对算例进行计算，将其结果与精确解和传统FEM解进行比较后，得出结论：精度是较高的，处理边界是准确的。尤其当与FEM联合使用时，既能发挥FEM的经验优质，又能体现EFGM的无网格特点，计算效果十分显著，因此，EFGM是FEM的有力补充。     

二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法

计算效率低的问题长期阻碍着无网格伽辽金法(element-free Galerkin method, EFGM)的深入发展.为了提高EFGM的计算速度,本文提出一种求解二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法.该方法在问题域内采用滑动最小二乘法(moving least square, MLS)近似、在域边界上采用线性插值建立位移场函数;基于广义梯度光滑算子得到两层嵌套光滑三角形背景网格上的光滑应变,根据广义光滑伽辽金弱形式建立系统离散方程.两层嵌套光滑三角形网格是由三角形背景网格本身以及四个等面积三角形子网格组成.为了提高方法的精度,由Richardson外推法确定两层光滑网格上的最优光滑应变.几个数值算例验证了该方法的精度和计算效率.数值结果表明,随着光滑积分网格数目的增加,光滑无网格伽辽金法的计算精度逐步接近EFGM的,但计算效率要远远高于EFGM的.另外,光滑无网格伽辽金法的边界条件可以像有限元那样直接施加.从计算精度和效率综合考虑,光滑无网格伽辽金法比EFGM具有更好的数值表现,具有十分广阔的发展空间.     

二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法

计算效率低的问题长期阻碍着无网格伽辽金法(element-free Galerkin method, EFGM) 的深入发展. 为了提高EFGM 的计算速度, 本文提出一种求解二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法. 该方法在问题域内采用滑动最小二乘法(moving least square, MLS)近似、在域边界上采用线性插值建立位移场函数; 基于广义梯度光滑算子得到两层嵌套光滑三角形背景网格上的光滑应变, 根据广义光滑伽辽金弱形式建立系统离散方程. 两层嵌套光滑三角形网格是由三角形背景网格本身以及四个等面积三角形子网格组成. 为了提高方法的精度, 由Richardson外推法确定两层光滑网格上的最优光滑应变. 几个数值算例验证了该方法的精度和计算效率. 数值结果表明, 随着光滑积分网格数目的增加, 光滑无网格伽辽金法的计算精度逐步接近EFGM 的, 但计算效率要远远高于EFGM的. 另外, 光滑无网格伽辽金法的边界条件可以像有限元那样直接施加. 从计算精度和效率综合考虑, 光滑无网格伽辽金法比EFGM具有更好的数值表现, 具有十分广阔的发展空间.      

基于转换矩阵的FEM/MLPG耦合算法

首次基于有限元的转换矩阵(TMF)和无网格的转换矩阵(TMM),提出有限单元法(FEM)和无网格局部彼得罗夫-伽辽金法(MLPG)的耦合算法。编制了相应算法的三维程序,计算分析了三维柱体的拉伸和弯曲问题,并将计算结果与ABAQUS软件计算结果以及理论解进行了比较。结果表明,本文给出的耦合算法计算精度高,收敛性好,可以用以模拟裂纹扩展等问题。     

约束问题有限元分析的广义位移方法

本文是我们关于约束问题有限元分析的广义位移方法的一个概括介绍。此方法将线性齐次等式约束作为正交化条件,在整个问题的节点位移空间中找出一个满足约束的位移子空间,节点位移空间中的约束变分问题转化为位移子空间中的一个无约束问题。此途径已成功地应用于分析不可压缩问题和在利用三维退化板壳元进行薄板薄壳结构分析时克服剪切自锁现象。     

几何非线性混合应变元的构造及应用

本文基于由文献〔１〕导出的几何非线性混合应变元一般公式，构造了三个八节点六面体几何非线性混合应变元和Ｓｉｍｏ－Ｒｉｆａｉ的二维四边形线性应变元的几何非线性混合应变元。数值结果表明，所构造的二维及三维几何非线性混合应变元具有理想的性能。它们通过分片试验，且没有虚假剪切现象和不可压缩材料的自锁。同时，它们对歪扭网格不敏感，在利用粗疏网格离散时对线性和非线性（几何和材料）问题具有很高的精度。     

基于不连续场修正权的无网格断裂分析

本文采用了一种基于不连续场修正权函数的无网格方法来处理二维平面问题中的有限长裂纹。相较于目前常用的无网格裂纹不连续性处理方案，采用修正权函数处理裂纹附近不连续场时只需要对原权函数进行修正，算法简便易实现。本文采用基于不连续场修正权函数的无单元Galerkin方法（EFGM），对在边界上施加I-II混合型裂纹位移场的斜裂纹板进行了数值分析。并与可视性准则、衍射法和透射法等不连续准则对比了裂尖位移场、应力场和应力强度因子解的数值精度。另外，本文还对这四种不连续准则形函数的计算效率进行了分析和比较。     

无网格伽辽金法应用的参数选择及内部边界处理

无网格辽金法作为-种新的岩土工程数值计算方法, 该法其只需节点信息的无单元特性, 使其具有计算优势。本文结合固结EFGM刚度矩阵公式, 对不同的计算参数进行计算分析, 找出其影响规律。并采用跳跃函数处理内部边界条件, 计算结果表明, EFGM处理内部场函数不连续是准确的。     

一种新型SPH-FEM耦合算法及其在冲击动力学问题中的应用

为了充分发挥光滑粒子流体动力学方法(smoothed particle hydrodynamics,SPH)在处理大变形和有限元(finite element method,FEM)问题时计算精度高的优势,提出了一种新型SPH-FEM耦合算法.该耦合算法在大变形区域使用SPH粒子离散,其余区域使用有限元离散.在耦合界面...     

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.     

无网格与有限元的耦合在动态断裂研究中的应用

提出将无网格Galerkin法与有限元耦合的方法用于分析动态裂纹扩展问题,只在裂尖附近区域沿裂纹扩展方向布置无网格结点,而在其他区域采用一般的有限元,区域交界处的结点采用MLS方法插值,然后将求得的结点值再分配到有限单元的相关结点上,保证了无网格区域和有限元区域的交界处位移的连续。避免了网格的再生成,同时也克服了单纯使用无网格Galerkin法所带来的边界条件难处理及计算效率较低的缺点。数值算例显示这种方法是有效的。     

一种新的数值方法——无网格伽辽金法（EFGM）

无网格伽辽金法（ＥＦＧＭ）是近几年发展起来的与有限元相似的一种数值算法,它采用移动的最小二乘法构造形函数,从能量泛函的弱变分形式中得到控制方程,并用拉氏乘子满足本征边界条件,从而得到偏微分方程的数值解中得到该法只需节点信息,不需将节点连成单元,此外,还有精度高,后处理方便等优点,本文介绍其基本原理及实现过程,并用算例表明,该法具有一定的发展前景。     

一种FEM－EFGM耦合技术及其应用

利用面力耦合(traction matching)技术，导出了增量形式的一般固体力学问题的FEM—EFGM耦合求解格式。在相应的域内分别建立FE和EFG的离散方程，利用交界面上的连续条件，可方便地建立耦合求解方程，简明有效，易于编程计算。数值算例给出令人满意的结果。     

A nonlinear,transient finite element method for coupled solvent diffusion and large deformation of hydrogels

Hydrogels are capable of coupled mass transport and large deformation in response to external stimuli. In this paper, a nonlinear, transient finite element formulation is presented for initial boundary value problems associated with swelling and deformation of hydrogels, based on a nonlinear continuum theory that is consistent with classical theory of linear poroelasticity. A mixed finite element method is implemented with implicit time integration. The incompressible or nearly incompressible behavior at the initial stage imposes a constraint to the finite element discretization in order to satisfy the Ladyzhenskaya–Babuska–Brezzi (LBB) condition for stability of the mixed method, similar to linear poroelasticity as well as incompressible elasticity and Stokes flow; failure to choose an appropriate discretization would result in locking and numerical oscillations in transient analysis. To demonstrate the numerical method, two problems of practical interests are considered: constrained swelling and flat-punch indentation of hydrogel layers. Constrained swelling may lead to instantaneous surface instability for a soft hydrogel in a good solvent, which can be regulated by assuming a stiff surface layer. Indentation relaxation of hydrogels is simulated beyond the linear regime under plane strain conditions, in comparison with two elastic limits for the instantaneous and equilibrium states. The effects of Poisson’s ratio and loading rate are discussed. It is concluded that the present finite element method is robust and can be extended to study other transient phenomena in hydrogels.     

A novel twice-interpolation finite element method for solid mechanics problems

Formulation and numerical evaluation of a novel twice-interpolation finite element method （TFEM） is presented for solid mechanics problems. In this method, the trial function for Galerkin weak form is constructed through two stages of consecutive interpolation. The primary interpolation follows exactly the same procedure of standard FEM and is further reproduced according to both nodal values and averaged nodal gradients obtained from primary interpolation. The trial functions thus constructed have continuous nodal gradients and contain higher order polynomial without increasing total freedoms. Several benchmark examples and a real dam problem are used to examine the TFEM in terms of accuracy and convergence. Compared with standard FEM, TFEM can achieve significantly better accuracy and higher convergence rate, and the continuous nodal stress can be obtained without any smoothing operation. It is also found that TFEM is insensitive to the quality of the elemental mesh. In addition, the present TFEM can treat the incompressible material without any modification.     

完全变换法在无网格伽辽金方法中的应用

由于移动最小二乘形函数一般不具有常规有限元或边界元形函数所具有的插值特征，本质边界条件的处理成为无网格伽辽金法实施中的一个难点。本文通过建立节点位移和广义位移之间的关系对移动最小二乘形函数进行修正，给出了修正的移动最小二乘形函数；以二维问题为例，对完全交换法在无网格伽辽金方法中的应用进行了研究，实现了本质边界条件在节点处的精确施加。数值计算结果表明该方法不仅简单合理，而且具有较高的精度、收敛性和稳定性。     

横观各向同性轴对称问题的非协调元和杂交应力元计算

基于变分原理得出各向同性轴对称问题下的非协调元和杂交应力元方法仍然适用于分析横观各向同性轴对称问题的结论，同时对应用于各向同性问题的罚平衡优化方法进行了修改，使之能够应用于横观各向同性问题的分析。文中给出了分析算例。并对各种单元结果进行了比较，计算结果表明非协调元和杂交应力元方法不但适用于横观各向同性轴对称问题分析，而且将提高其数值解的精度，改善单元内部应力分布。     

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将理性有限元法引入到Timoshenko梁问题中,提出了一种理性Timoshenko梁单元,克服了 剪切锁死现象. 在推导控制方程时,与传统有限元方法采用Lagrange插值不同, 理性有限元法用Timoshenko梁弯曲问题的基本解逼近单元内部场. 运用该梁单元分析 Timoshenko梁时,无需缩减积分,就能避免剪切锁死,并且极大地提高了计算精度,说明 理性有限元法具有广泛的应用前景.     

A cell‐based smoothed finite element method with semi‐implicit CBS procedures for incompressible laminar viscous flows

In this paper, the cell‐based smoothed finite element method (CS‐FEM) with the semi‐implicit characteristic‐based split (CBS) scheme (CBS/CS‐FEM) is proposed for computational fluid dynamics. The 3‐node triangular (T3) element and 4‐node quadrilateral (Q4) element are used for present CBS/CS‐FEM for two‐dimensional flows. The 8‐node hexahedral element (H8) is used for three‐dimensional flows. Two types of CS‐FEM are implemented in this paper. One is standard CS‐FEM with quadrilateral gradient smoothing cells for Q4 element and hexahedron cells for H8 element. Another is called as n‐sided CS‐FEM (nCS‐FEM) whose gradient smoothing cells are triangles for Q4 element and pyramids for H8 element. To verify the proposed methods, benchmarking problems are tested for two‐dimensional and three‐dimensional flows. The benchmarks show that CBS/CS‐FEM and CBS/nCS‐FEM are capable to solve incompressible laminar flow and can produce reliable results for both steady and unsteady flows. The proposed CBS/CS‐FEM method has merits on better robustness against distorted mesh with only slight more computation time and without losing accuracy, which is important for problems with heavy mesh distortion. The blood flow in carotid bifurcation is also simulated to show capabilities of proposed methods for realistic and complicated flow problems.