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。     

波前法在无网格伽辽金法中的应用

有别于有限元法,无网格法采用基于点的近似,可彻底或部分地去除网格(只保留积分所需的背景网格),在保证计算精度同时降低计算难度.无网格伽辽金法(Element Free Galerkin Method,EFG)是一种基于移动最小二乘近似(Moving Least-Squares,MLS)的全局弱式无网格法,广泛应用于计算力学等领域,该方法的一个缺点是:计算过程中产生的系数矩阵含有的非零元数量比有限元法多,即使处理中等规模模型时,也要求计算机有很大的存储空间,并且计算时间长.波前法在有限元法中已有很成熟的应用,但至今没有应用于无网格方法.论文介绍了波前法在无网格伽辽金法中的应用方法,编写了相应的计算程序,并以弹性力学为例做了验算.     

不可压黏性流问题的无网格法分析

不可压缩黏性流问题一般采用Navier-Stokes方程来描述，基于加权残值法，推导了问题的无网格伽辽金法（EFGM）离散Navier-Stokes方程，在时间域上采用分步方法计算，速度和压力由相互独立的方程以解耦的形式求解，并采用同阶移动最小二乘近似，在每一时间步中，对压力解和速度解采用了Newton-Raphson迭代法进行修正，最后将所得到的方法应用到剪切驱动空腔流问题中，验证了方法的有效性，且解的精度高、稳定性好。     

一种求解三维声腔声压分布问题的无网格法

利用传统有限元法求解声压分布问题常常受到污染误差和色散误差的困扰.加权最小二乘无网格法(MWLS)是一种基于移动最小二乘(MLS)近似的无网格方法,求解声腔声压分布问题具有低色散、高精度的特点.然而传统的MLS近似有时容易产生病态矩阵,利用加权正交基函数构建改进的移动最小二乘(IMLS)近似,得到的系统方程为非病态的.论文基于改进的加权最小二乘无网格法(IMWLS)求解三维声腔内部声压分布.计算得到的声压分布和声压频响曲线都与参考值十分吻合,峰值误差和污染误差都比FEM的小,计算成本相比无单元伽辽金法显著降低.计算结果表明IMWLS相比传统的FEM,能在更高的频段内达到高精度,并且相比EFGM能大幅提高计算效率.     

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.     

动力弹塑性分析的无网格自然单元法

基于无网格自然单元法,提出了结构动力弹塑性响应分析的一条新途径.自然单元法是一种新兴的无网格数值计算方法,其实质是基于自然邻近插值的伽辽金法.自然单元法在本质边界条件的施加上较采用移动最小二乘法的无网格法具有明显的优势.在空间域上采用自然单元法离散,并运用加权余量法推导了动力弹塑性分析的离散控制方程.然后,采用预校正形...     

无网格全局介点法

提出了一种新型无网格法,即无网格全局介点(MGIP)法。该方法采用移动最小二乘核近似来构造形函数,有利于提高数值方法的计算稳定性,而且算法更为简单。该方法需要引入全局介点进行数值离散,基于有限点的广义变分法导出求解系统方程,并采用罚系数法来保证边界条件,数值实现较为简洁。数值算例结果表明:MGIP法的计算耗时不到无网格局部彼得洛夫-伽辽金法的1%,具有较高的计算效率;相比于一般配点法,本文方法的计算稳定性更好,计算精度更高。     

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.      

弹性力学问题的局部边界积分方程方法

提出了弹性力学平面问题的局部边界积分方程方法。这种方法是一种无网格方法,它采用移动最小二乘近似试函数,且只包含中心在所考虑节点的局部边界上的边界积分。它易于施加本质边界条件。所得系统矩阵是一个带状稀疏矩阵。它组合了伽辽金有限元法、整体边界元法和无单元伽辽金法的优点。该方法可以容易推广到求解非线性问题以及非均匀介质的力学问题。计算了两个弹性力学平面问题的例子,给出了位移和能量的索波列夫模,所得计算结果证明：该方法是一种具有收敛快、精度高、简便有效的通用方法。     

无网格法的理论及应用

详细论述了近年来迅速发展的无网格法的理论基础及其在各个领域内的应 用. 无网格法网格依赖性弱, 避免了传统的有限元、边界元等基于网格的数值方法 中可能出现的网格畸变和扭曲, 在一些有限元、边界元等方法难以较好处理的领域体现 出独特的优势. 以加权余量法为主线归纳了已有的30多种无网格法, 各类 无网格法的主要区别在于使用了不同的加权余量法和近似函数. 详尽介绍 了各种无网格近似方案(包括移动最小二乘近似、核近似和重构核近似、单位分 解近似、径向基函数近似、点插值近似、自然邻接点插值近似等)和无网格法 中常用的各类加权余量法(伽辽金格式、配点格式、局部弱形式、加权最小二乘 格式和边界积分格式等), 并讨论了数值积分方法和边界条件的处理等问题. 在 此基础上较系统地总结了无网格法在冲击爆炸、裂纹传播、超大变形、结 构优化、流固耦合、生物力学和微纳米力学等领域的应用, 展示了无网格法相 对于传统数值方法的优势.     

NEW TREATMENT OF ESSENTIAL BOUNDARY CONDITIONS IN EFG METHOD BY COUPLING WITH RPIM

One of major difficulties in the implementation of meshfree methods using the moving least square (MLS) approximation, such as element-free Galerkin method (EFG), is the imposition of essential boundary conditions as the approximations do not pass through the nodal parameter values. Another class of meshfree methods based on the radial basis point interpolation can satisfy the essential boundary conditions exactly since its approximation function passes through each node in an influence domain and thus its shape functions possess the properties of delta function. In this paper, a coupled element-free Galerkin(EFG)-radial point interpolation method (RPIM) is proposed to enhance their advantages and avoid their disadvantages. Discretized equations of equilibrium are obtained in the RPIM region and the EFG region, respectively. Then a collocation approach is introduced to couple the RPIM and the EFG method. This method satisfies the linear consistency exactly and can maintain the stiffness matrix symmetric. Numerical tests show that this method gives reasonably accurate results consistent with the theory.     

插值型维数分裂无网格法中本质边界条件施加方法研究

本文以求解三维波动方程为例,介绍了改进的插值型维数分裂无单元Galerkin方法,推导了方程的弱形式,构造了具有插值特性的逼近函数,建立了可直接施加本质边界条件的离散方程组,研究不同本质边界条件施加方法对计算结果的影响．本文列举了三种常用的处理本质边界条件的方法：直接配点法、对角元素置大数法和对角元素化一法．选取了三个数值算例,分别采用不同的本质边界条件施加方法,分析计算结果,证明了三种施加方法的有效性,讨论了每种施加方法的优缺点,并针对问题需求选出合适的施加本质边界条件的方法．与改进的无单元Galerkin方法相比,改进的插值型维数分裂无单元Galerkin方法具有更高的计算精度和更快的计算速度．     

The improved element-free Galerkin method for three-dimensional wave equation

The paper presents the improved element-freeGalerkin(IEFG) method for three-dimensional wave propagation.The improved moving least-squares(IMLS) approximation is employed to construct the shape function,whichuses an orthogonal function system with a weight function asthe basis function.Compared with the conventional movingleast-squares(MLS) approximation,the algebraic equationsystem in the IMLS approximation is not ill-conditioned,andcan be solved directly without deriving the inverse matrix.Because there are fewer coefficients in the IMLS than in theMLS approximation,fewer nodes are selected in the IEFGmethod than in the element-free Galerkin method.Thus,theIEFG method has a higher computing speed.In the IEFGmethod,the Galerkin weak form is employed to obtain a discretized system equation,and the penalty method is appliedto impose the essential boundary condition.The traditionaldifference method for two-point boundary value problems isselected for the time discretization.As the wave equationsand the boundary-initial conditions depend on time,the scaling parameter,number of nodes and the time step length areconsidered for the convergence study.     

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.     

A 3D shell-like approach using element-free Galerkin method for analysis of thin and thick plate structures

A new efficient meshless method based on the element-free Galerkin method is proposed to analyze the static deformation of thin and thick plate structures in this paper. Using the new 3D shell-like kinematics in analogy to the solid-shell concept of the finite element method, discretization is carried out by the nodes located on the upper and lower surfaces of the structures. The approximation of all unknown field variables is carried out by using the moving least squares (MLS) approximation scheme in the in-plane directions, while the linear interpolation is applied through the thickness direction. Thus, different boundary conditions are defined only using displacements and penalty method is used to enforce the essential boundary conditions. The constrained Galerkin weak form, which incorporates only displacement degrees of freedom (d.o.f.s), is derived. A modified 3D constitutive relationship is adopted in order to avoid or eliminate some self-locking effects. The numeric efficiency of the proposed meshless formulation is illustrated by the numeric examples.     

复变量移动最小二乘法及其应用

提出了复变量移动最小二乘法，并详细讨论了基于正交基函数的复变量移动最小二乘 法. 然后，将复变量移动最小二乘法和弹性力学的边界无单元法结合，提出了弹性力学的复 变量边界无单元法，推导了相应的公式，并给出了数值算例. 基于正交基函数的复变量移动 最小二乘法的优点是不形成病态方程组、精度高，所形成的无网格方法计算量小. 复变量边 界无单元法是边界积分方程的无网格方法的直接列式法，容易引入边界条件，且具有更高的 精度.     

A meshless method of a thin plate

A meshless approach to analysis of arbitrary Kirchhoff plates by the local boundary integral equation(LBIE) method is presented. The method combines the advantageous features of, all the three methods: the Galerkin finite element method (GFEM), the boundary element method (BEM) and the element-free Galerkin method (EFGM). It is a truly meshless method, which means that the discretization is independent of geometric subdivision into elements or cells, but is only based on a set of nodes (ordered or scattered) over a domain in question. It involves only boundary integration, however, over a local boundary centered at the node in question; It poses no difficulties in satisfying the essential boundary conditions while leading to banded and sparse system matrices using the moving least square (MLS) approximations. It is shown that high accuracy can be achieved for arbitrary geometries for clamped and simply-supported edge conditions. The method is found to be simple, efficient, and attractive. Project supported by the National Science Foundation of China (No. 19972019).