基于广义变分原理的梁板单元分析的数值流形方法

数值流形方法(NMM)是一种基于有限覆盖技术的新型数值方法.以该方法的覆盖位移模式为基础,利用广义变分原理中罚函数理论,详细推导了梁板流形单元的覆盖位移函数,刚度矩阵和应变矩阵,并建立了可应用于梁板单元分析的数值流形方法.最后通过算例分析表明,该方法在对梁板弯曲问题分析是有效的.     

弹性力学中的一种非协调数值流形方法

通过引入数学和物理双重网格，将插值域与 积分域分别定义在不同的覆盖上，即在数学网格上进行插值函数的构造，物理网格上完成 系统能量泛函积分运算，最后通过覆盖权函数将二者联结在一起. 它的优点是单元网格划 分随意，不受复杂边界形状和二相材料界面的限制，单元可以是任意形状，是较之于有限 元方法更一般的数值模拟方法. 在4节点四边形数值流形方法中，由于单元总体位移函数 包含的完全多项式不完全，使得计算精度不够精确，为此，在单元总体位移函数上附 加非协调位移基本项，使之趋于完全，提出了弹性力学问题的一种改进的数值流形 方法------非协调数值流形方法. 通过内部自由度静力凝聚处理，导出了消除内参后的单元应变矩阵 和单元刚度矩阵，使得在不增加广义节点自由度的前提下，大大提高了数值流形方法的计 算精度和计算效率. 同时对非协调项进行了显式处理，可以对工程实践起到更切实的帮助. 数值试验表明，它们能够保证收敛，有较高的精度，对畸变不敏感，从而证明了该方法的 可行性.     

数值流形方法的粘性边界问题初探

在实际工程数值流形方法分析中,采用固定约束边界的方法处理无限域或者半无限域的情况,边界处应力波的反射造成模拟结果与实际情况不符.本文基于Lysmer等人提出的粘性边界理论,在边界上设置阻尼器,推导相应粘性边界条件下流形单元刚度矩阵的数值计算格式,经岩石长条中弹性波传播算例,并与有限元结果对比,验证了该粘性边界的有效性,有利于数值流形方法的工程中推广应用.     

热传导问题的非协调数值流形方法

数值流形方法通过引入数学与物理双重网格，将插值域与积分域分别定义在两个不同的覆盖上，其优点是网格划分随意，不受复杂边界形状和材料界面的限制，是较之于有限元方法更一般化的数值模拟方法。在计算精度方面，数值流形方法远远高于有限元法。但它的精度还是不够理想。为此本文在单元总体位移场上附加非协调位移基本项，使单元位移函数趋于完全，构造了非协调流形单元来改善流形单元的计算精度和计算效率，并将其应用于热传导问题，推导了势问题的非协调数值流形方法。     

高精度四节点四边形流形单元

基于数值流形方法的四点四边形流形单元在物理覆盖上使用高阶覆盖位移函数能够得到高精度的数值结果,且可以在求解区域的不同地方混合使用各阶覆盖函数来提高求解效率,具有编程 和前后处理简单等优点,弥补了有限元的不足,计算结果表明,数值解与理论解吻合。     

固定网格的数值流形方法研究

针对单纯几何非线性的材料大变形问题, 提出一种新的研究思路------固定数学网格的数值流形方法, 简称固定网格流形法, 可以看作是采用了固定网格的拉格朗日方法. 它充分利用数值流形方法的数学网格与材料物理边界分离的特性, 具备拉格朗日法和欧拉法各自的优势, 避免了原始拉格朗日法的网格扭曲问题以及欧拉法对移动边界难以精确描述和迁移项较难处理的问题. 采用数值流形方法的大变形分步计算格式, 使得固定网格流形法实现起来并不复杂, 仅需要每步切割网格形成新的流形单元, 以及对初应力载荷进行适当的处理, 而后者是固定网格流形法的关键. 针对固定的矩形数学网格开展研究, 采用一阶多项式覆盖函数的高阶流形法, 给出了两种初应力计算方法, 并用悬臂梁大变形算例验证了固定网格流形法的可行性, 将来需要进一步解决初应力载荷所带来的计算稳定问题.      

Biot平面固结分析的流形单元法

基于数值流形方法和有限覆盖技术，提出了适用于Biot固结分析的三节点平面协调流形元。由于土骨架位移和孔隙水压力的节点覆盖函数(Lagrange插值函数)阶次可分别任意选择，该单元是一组满足位移和孔压插值阶次不同且所有节点具有相同自由度数的新型u-p混合模式单元，并且更加方便编程。数值分析表明，位移和孔压的节点覆盖函数阶次分别取一次和零次的流形单元(T1-0)是该组单元中最为有效的。与等价四边形等参元相比，T1-0流形元能给出精度更高的初期孔压和位移。     

含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元

基于含椭圆核有限大各向异性板弹性问题的复变函数级数解,应用杂交变分原理建立了一种与常规有限元相协调的含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元.单元内的应力场和位移场采用满足平衡方程、几何方程与物理方程的复变函数级数解,假设的复变函数级数解精确满足椭圆核边界处的位移协调条件和应力连续条件,单元外边界上的位移场按常规有限元位移场假设,单元内椭圆核的长轴可以与材料主轴不重合.单元刚度矩阵采用Gauss积分求得,并给出了建立刚度矩阵的主要公式和推倒过程.数值计算结果表明该单元具有计算精度高、计算工作量小等优点.     

数值流形方法研究及应用进展

基于有限覆盖技术的数值流形方法是一种新的广义的数值方法.该方法的场函数近似原理和有限元、无网格、单位分解等方法相似,但在网格划分、覆盖形式、近似函数等方面有其自身的特点和优势.对该方法近年来在理论研究和应用方面取得的重要进展进行了综述.在理论研究方面, 目前已对不同形式物理覆盖流形单元的性能进行了研究,结果表明流形单元的精度较有限单元高,且提高覆盖函数的阶次能提高单元的精度;同时理论研究已由二维低阶流形方法推广到三维高阶流形方法,由线性流形方法推广到非线性流形方法,由基于能量原理的流形方法推广到基于加权余量的流形方法,非协调流形方法、无网格流形方法等也已开展了研究; 此外,覆盖系统的自动生成、覆盖函数的形式以及边界条件的处理方法等流形方法相关理论的研究也取得了进展.在应用方面,开展了有关岩石破坏和裂纹扩展等非连续变形分析更深入的研究,并已逐步推广到金属塑性变形分析、多孔介质变形分析以及温度场的数值分析等多个领域.针对目前流形方法的研究和应用现状,该文展望了流形方法理论及实现方法的研究方向、及其在计算流体力学、金属成形等大变形问题、多物理场分析等领域的应用前景.      

数值流形方法中线性相关性问题的研究

数值流形方法的形函数由覆盖函数和局部近似函数组成,形函数之间往往存在线性相关性。在现有研究成果的基础上对形函数线性相关性进行了分析,指出线性相关性的根源在于覆盖函数具有单位分解特性,并与单元形状有关。研究了线性相关性与整体刚度矩阵奇异性以及求解收敛性之间的关系,指出形函数线性相关不一定导致整体刚度矩阵奇异。对8结点六面体高阶流形单元的局部近似函数及单元形状与线性相关性之间的关系进行了分析,构造出一种完全线性独立的流形单元。通过算例分析了8结点六面体流形单元局部近似函数中一次完全多项式对求解精度和收敛性的影响,发现采用一次完全多项式局部近似函数的形函数虽然线性相关,但求解仍然收敛,且精度高于线性无关的单元。     

THEORETICAL STUDY OF THREE-DIMENSIONAL NUMERICAL MANIFOLD METHOD

IntroductionNumerical manifold method is a new numerical method established on the basis of finitecover of manifold[1,2].By using continuous and non-continuous finite cover system,thenumerical manifold method includes the continuous and non-continuous as …     

基于流形覆盖思想的无网格方法的研究

本语言基于流形思想,利用有限覆盖,单位分解等概念,引入建立在覆盖上的覆盖函数和具有紧支撑特性的单位分解函数,建立场逼近的近似表达,由弱形式的Galerkin变分得到数值分析模型,结合边界条件用于边值问题的求解,由此建立了一类新的无网格数值方法,论文采用这种方法分析了平面弹性问题,分析了体积闭锁现象,h、p型收敛性等,提出了一种选择覆盖大小的方案,且对狭长城采用了椭圆覆盖形式,取得了比较好的效果。     

多位移等式约束拓扑优化及在光电精密结构设计中的应用

为了满足光电精密跟踪设备中光学系统对支撑结构变形位移相等的设计要求,基于变密度法,以刚度极大为目标,同时以体积约束和位移等式约束作为约束条件,构建结构拓扑优化模型。位移等式约束通过增广拉格朗日乘子法引入原目标函数,在拉格朗日乘子的求解中,采用考虑具有真实物理意义的近似替代法而非传统的纯数学迭代逼近方法。在利用伴随方法得到增广目标函数敏度基础上,采用MMA优化算法,在满足体积约束的同时进行迭代优化得到新结构。算例验证结果表明,本文方法能够有效解决具有多个位移等式约束的刚度极大结构轻量化设计问题。     

多裂纹扩展的数值流形法

数值流形法的求解体系建立在两套覆盖(包括数学覆盖和物理覆盖) 和接触环路的基础之上,实现了对连续和非连续问题的统一求解. 在处理裂纹问题时,数学覆盖无需与裂纹重合,方便岩体破坏过程的模拟. 通过在裂纹尖端影响区域内的物理片上增加用于模拟应力奇异性的增强位移函数,发展了扩展的数值流形法. 在此基础上,提出一种多裂纹扩展的控制算法,并给出了裂纹扩展过程中材料体的整体响应. 针对典型的线弹性断裂力学问题, 给出的数值算例表明所建议的方法是正确有效的.      

基于单位分解法的无网格数值流形方法

在数值流形方法和单位分解法的基础上，提出了无网格数值流形方法. 无网格数值流形 方法在分析时采用了双重覆盖系统，即数学覆盖和物理覆盖. 数学覆盖提供的节点形成求解 域的有限覆盖和单位分解函数；而物理覆盖描述问题的几何区域及其域内不连续性. 与原有 的数值流形方法相比，无网格数值流形方法的数学覆盖形状更加灵活，可以用一系列节点的 影响域来建立数学覆盖和单位分解函数，具有无网格方法的特性，从而摆脱了传统的数值流 形方法中网格所带来的困难. 与无网格方法相比，由于采用了有限覆盖技术，试函数的构造 不受域内不连续的影响，克服了原有的无网格方法在处理不连续问题时所遇到的困难. 详细推导了无网格数值流形方法的试函数和求解方程，最后给出了算例，验证了该方法的正 确性.     

An effective approach for modeling fluid flow in heterogeneous media using numerical manifold method

A major challenge of modeling fluid flow in heterogeneous media is to model the material interfaces, which may be arbitrarily oriented or intersected with Dirichlet, Neumann, or other boundaries, making it difficult to mesh and accurately satisfy the boundary constraints. In order to solve these problems, we derived a new continuous approach in the numerical manifold method (NMM). NMM is an ideal method to handle boundaries, considering its flexibility and efficiency with fixed mathematical mesh and its integration precision. With the two‐cover‐meshing system, we construct physical covers containing gradient jump terms defined as extended degrees of freedom to realize the refraction law across material interfaces. In the global equilibrium equations, the jump terms are naturally considered with the energy‐work seepage model. In this approach, high accuracy is expected from the newly constructed jump function together with simplex integration. Moreover, high mesh efficiency is realized by fixed triangular mathematical mesh with algorithms fully considering interfaces intersecting with Dirichlet, Neumann, or other boundaries and simplex integration on elements in arbitrary shapes. The new approach was coded into our NMM fluid flow model. We calculated examples involving fluid flow through a domain including (1) a single interface, (2) an idealized fault represented by multiple material interfaces, (3) intersected interfaces, and (4) an octagonal inclusion. We compared the simulated results to analytical solutions or results with denser mesh to test precision and efficiency and thereby proved that the new approach is accurate, efficient, and flexible, especially when considering intense geometric change or intersections. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Enriched meshless manifold method for two-dimensional crack modeling

The meshless manifold method is based on the partition of unity method and the finite cover approximation theory which provides a unified framework for solving problems dealing with both continuum with and without discontinuities. The meshless manifold method employs two cover systems. The mathematical cover system provides the nodes for forming finite covers of the solution domain and the partition of unity functions. And the physical cover system describes geometry of the domain and the discontinuous surfaces in the domain. The shape functions are derived by the partition of unity and the finite covers approximation theory. In meshless manifold method, the mathematical finite cover approximation theory is used to model cracks that lead to interior discontinuities in the displacement. Therefore, the discontinuity is treated mathematically instead of empirically by the existing methods. However, one cover of a node is divided into two irregular sub-covers when the meshless manifold method is used to model the discontinuity. As a result, the method sometimes causes numerical errors at the tip of a crack. To improve the precision of the meshless manifold method, the enriched methods are introduced in this work for crack problems.     

2D numerical manifold method based on quartic uniform B-spline interpolation and its application in thin plate bending

A new numerical manifold （NMM） method is derived on the basis of quartic uniform B-spline interpolation. The analysis shows that the new interpolation function possesses higher-order continuity and polynomial consistency compared with the conven- tional NMM. The stiffness matrix of the new element is well-conditioned. The proposed method is applied for the numerical example of thin plate bending. Based on the prin- ciple of minimum potential energy, the manifold matrices and equilibrium equation are deduced. Numerical results reveal that the NMM has high interpolation accuracy and rapid convergence for the global cover function and its higher-order partial derivatives.