三维势流场的比例边界有限元求解方法

比例边界有限元法(SBFEM)是线性偏微分方程的一种新的数值求解方法。该方法只对计算域边界利用Galerkin方法进行数值离散,相对于有限元方法(FEM)减少了一个空间坐标的维数,而在减少的空间坐标方向利用解析方法进行求解;相对于边界元法(BEM),比例边界有限元方法不需要基本解,避免了奇异积分的计算,所以它结合了有限元和边界元方法的优点。本文建立了利用比例边界有限元法求解三维Laplace方程的数值模型并用于计算三维物体周围的水流场,将计算结果与解析解和边界元方法进行了对比,结果表明此方法可以很好地模拟水流场,且具有较高的计算精度。     

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.     

快速小波边界元的矩阵后压缩方法

介绍了一种基于传统边界元单元划分的小波 Galerkin 边界元法,该方法具有几乎线性(即 ON,N 为自由度)的求解复杂度。在准消失矩小波的框架下介绍了非标准型系数矩阵的压缩问题,提出了一种后压缩算法以降低小波边界元法的内存消耗。求解 Stokes 方程的算例表明,后压缩算法在保证结果收敛特性的情况下可以将系数矩阵的内存占用量降低 5 倍以上。     

极坐标系下的Legendre谱元方法求解Poisson-型方程

r=0处的坐标奇异性是求解极坐标下Poisson-型方程的关键。本文提出一种极坐标系下基于Galerkin变分的Legendre谱元方法用于求解圆形区域内的Poisson-型方程,物理区域的径向和周向划分若干单元,计算单元均采用Legendre多项式展开;圆心所在单元的径向使用LGR(Legendre Gauss Radau)积分点,其他单元径向使用LGL(Legendre Gauss Lobatto)积分点,从而避免了极点处1/r坐标奇异性,周向单元均采用LGL积分点。利用区域分解技术,可以避免节点在极点附近聚集;最后求解了多个Dirichlet或Neumann边界条件下的Poisson-型方程算例。数值结果表明,谱元方法具有很高的精度。     

各向异性位势平面问题的规则化边界元法

基于转化域方程为边界积分方程的极限定理及一个新颖的基本解分解技术, 建立间 接变量规则化边界积分方程, 它有效地避免了奇异积分的直接计算. 与已有方法比, 该方法不将问题变换为各向同性的问题去处理, 因而无需反演运算, 也有别 于Galerkin方法, 无需计算重积分. 可计算任意边界位势梯度, 而不仅限于法向通 量. 针对椭圆边界的边值问题, 提交一种精确单元来描述边界几何. 数值算例表 明, 所提算法稳定且效率高, 所得数值结果与精确解吻合较好.     

一种在网格内部捕捉间断的Walsh函数有限体积方法

传统有限体积或有限元方法假定流动变量在单元内连续, 间断仅限于控制体的交界面上, 因此它们无法在控制体内部捕捉间断. 本文摒弃控制体内流动变量连续的假设, 将自身具有间断特点的Walsh基函数应用于有限体积方法, 把控制体内的流场变量表示成间断基函数的组合形式. 按照Walsh基函数在控制体内引入的间断数目和位置, 将控制体单元虚分为若干个分片连续的子单元, 并将Walsh基函数级数表征的守恒型控制方程在每个子单元上进行数值积分和离散求解.相对于传统有限体积方法, 这种利用Walsh基函数构造的新型有限体积方法能够以一定的比例减小数值误差, 提高分辨率, 并可实现控制体单元内部的间断捕捉, 本文将其命名为Walsh函数有限体积方法. 该方法在子单元尺度上仅具有一阶计算精度, 为进一步提高对光滑解的分辨率, 在每个控制体内利用子单元上的变量平均值进行重构, 提出了子单元尺度上具有的二阶/高阶计算精度的Walsh函数有限体积方法. 最后, 运用新发展的方法求解无黏Burgers方程和Euler方程, 并在相同的计算网格上与传统有限体积方法进行对比计算, 对新方法的计算精度、计算效率、间断捕捉能力和鲁棒性进行了验证.      

有理宏单元法求解泊松方程

基于有理超限插值,提出了一种在求解域边界布点的全域求解数值方法——有理宏单元法。推导出了三角形及四边形单元的有理混合函数,划分单元各边的节点并选定各边上的插值函数,建立了三角形及四边形母单元的形函数。利用等参变换,将求解域影射到相应的母单元上,得到了求解泊松方程边值问题的有理宏单元方程组。通过将求解域划分为一个或多个宏单元,有理宏单元法可对任意形状的二维区域求解。作有理宏单元法解泊松方程边值问题的算例,验证了本文方法的有效性。     

三维Schr?dinger方程的改进无单元Galerkin方法

建立了三维Schr?dinger方程的改进的无单元Galerkin(简称IEFG)方法。采用改进的移动最小二乘法(简称IMLS)建立三维Schr?dinger方程的试函数,代入该问题基于罚函数法施加本质边界条件的Galerkin积分弱形式,推导IEFG方法的计算公式,然后采用差分法求解IEFG方法得到的方程,得到了最终的离散方程。利用算例讨论了权函数、影响域比例参数和罚函数对精度的影响,以及解的收敛性、误差和计算效率,说明了本文IEFG方法的正确性,以及具有比无单元Galerkin(简称EFG)方法更高计算效率的优点。     

Navier-Stokes方程间断Galerkin有限元方法研究

通过引入全局提升算子和局部提升算子,发展了求解Navier-Stokes方程的间断Galerkin(discontinuousGalerkin,DG)有限元方法的一般框架,并在此框架下给出了几种典型黏性离散格式的具体表达形式.对局部提升算子的求解给出了详细的计算步骤.同时还给出了一种简单有效的计算方法来对物面边界进行高阶近似.为了能够对NS方程进行精度测试,采用对原始系统添加源项的方法构造精确解.二维Euler和NS系统的精度测试表明该方法达到了DG方法的理论精度.二维圆柱无黏绕流的计算结果表明关于物面边界的高阶近似方法能够保持DG方法原有的精度.卡门涡街数值模拟则进一步验证了该方法的正确性并且显示出DG方法较高的计算精度和分辨率.     

一种基于直接计算高阶奇异积分的断裂力学双边界积分方程分析法

相对于有限元法,边界单元法在求解断裂问题上有着独特的优势,现有的边界单元法中主要有子区域法和双边界积分方程法.采用一种改进的双边界积分方程法求解二维、三维断裂问题的应力强度因子,对非裂纹边界采用传统的位移边界积分方程,只需对裂纹面中的一面采用面力边界积分方程,并以裂纹间断位移为未知量直接用于计算应力强度因子.采用一种高阶奇异积分的直接法计算面力边界积分方程中的超强奇异积分;对于裂纹尖端单元,提供了三种不同形式的间断位移插值函数,采用两点公式计算应力强度因子.给出了多个具体的算例,与现存的精确解或参考解对比,可得到高精度的计算结果.     

Potential flow around obstacles using the scaled boundary finite‐element method

The scaled boundary finite‐element method is a novel semi‐analytical technique, combining the advantages of the finite element and the boundary element methods with unique properties of its own. The method works by weakening the governing differential equations in one co‐ordinate direction through the introduction of shape functions, then solving the weakened equations analytically in the other (radial) co‐ordinate direction. These co‐ordinate directions are defined by the geometry of the domain and a scaling centre. The method can be employed for both bounded and unbounded domains. This paper applies the method to problems of potential flow around streamlined and bluff obstacles in an infinite domain. The method is derived using a weighted residual approach and extended to include the necessary velocity boundary conditions at infinity. The ability of the method to model unbounded problems is demonstrated, together with its ability to model singular points in the near field in the case of bluff obstacles. Flow fields around circular and square cylinders are computed, graphically illustrating the accuracy of the technique, and two further practical examples are also presented. Comparisons are made with boundary element and finite difference solutions. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

A coupled IEM/FEM approach for solving elastic problems with multiple cracks

In this paper, the detailed two-dimensional infinite element method (IEM) formulation with infinite element (IE)–finite element (FE) coupling scheme for investigating mode I stress intensity factor in elastic problems with imbedded geometric singularities (e.g. cracks) is presented. The IE–FE coupling algorithm is also successfully extended to solve multiple crack problems. In this method, the domain of the primary problem is subdivided into two sub-domains modeled separately using the IEM for the multiple crack sub-domain, and the FEM for the uncracked sub-domain. In the IE sub-domain, the similarity partition concept together with the IEM formulation are employed to automatically generate a large number of infinitesimal elements, layer by layer, around the tip of each crack. All degrees of freedom related to the IE sub-domain, except for those associated with the coupling interface, are condensed and transformed to form a finite master IE for each crack with master nodes on sub-domain boundary only. All of the stiffness matrices constructed in the IE sub-domains are assembled into the system stiffness matrix for the FE sub-domain. The resultant FE solution with a symmetrical stiffness matrix, having the singularity effect of imbedded cracks in IEs, is required only for solving multiple crack problems.Using these efficient numerical techniques a very fine mesh pattern can be established around each crack tip without increasing the degree of freedom of the global FEM solution. One is easily allowed to conduct parametric analyses for various crack sizes without changing the FE mesh. Numerical examples are presented to show the performance of the proposed method and compared with the corresponding known results where available.     

动态断裂力学的无限相似边界元法

对弹性动力学的相似边界元法进行了进一步研究,推导了相应的计算公式,并在此基础上提出了动态断裂力学的无限相似边界元法.与传统的边界元法相比,相似边界元法由于只需在少数单元上进行数值积分,大大减少了计算量.对动态断裂力学问题,无限相似边界元法由于在裂纹尖端的边界上设置了逼近于裂纹尖端的无限个相似边界单元,可直接得到裂纹尖端具有奇异性的应力,而不需要设置奇异单元,从而突破了奇异单元对应力奇异性阶次的局限.另外,还讨论了无限相似边界元法得到的无限阶的线性代数方程组的求解方法.     

基于比例边界有限元法的高阶透射边界应用

基于比例边界有限元法和连分式展开推导了无限域弹性动力分析的求解方程,实现了一种局部的高阶透射边界. 采用改进的连分式法求解无限域的动力刚度矩阵,克服了原连分式算法可能会造成矩阵运算病态的问题. 该局部高阶透射边界在时域里表示为一阶常微分方程组,其稳定性取决于其系数矩阵的广义特征值问题. 如果出现虚假模态,采用移谱法来校正系数矩阵以消除虚假模态. 通过两个算例验证了该高阶透射边界的精确性、鲁棒性.     

基于Hamilton体系的弹性力学问题的比例边界有限元方法

比例边界有限元方法是求解偏微分方程的一种半解析半数值解法。对于弹性力学问题,可采用基于力学相似性、基于比例坐标相似变换的加权余量法和虚功原理得到以位移为未知量的系统控制方程,属于Lagrange体系。但在求解时,又引入了表面力为未知量,控制方程属于Hamilton体系。因而,本文提出在比例边界有限元离散方法的基础上,利...     

无限元方法及其应用

限元是几何上趋于无穷的单元，它是一种特殊的有限元,也是对有限元在求解无界域 问题上的有效补充, 并可实现与有限元间的无缝连接.无限元分为映射无限元和非映射 无限元:映射无限元需要引入几何映射,在局部坐标系中构造插值形状函数,如Bettess 元和Astley元;非映射无限元则直接在整体坐标系中构造插值形状函数,如Burnett元. 本文评述求解无界域问题的无限元方法的研究现状和最新发展.首先介绍无限单元的概念 和无限元方法的特点;围绕求解以Helmholtz方程控制的波动问题,评述几种常规无限单 元的优劣,这些单元包括Bettess元、Astley元和Burnett元.然后介绍新近提出的广义 无限元方法,以及与常规无限元方法的区别与联系.最后对无限元方法在各种问题中的 应用做了总结.     

求解接触问题的一种新的实验误差法

提出了一种带松弛因子的UZAW算法求解实验误差法中给定状态下的位移和接触力满足的等式方程，并证明了该算法是R超线性收敛的。整个区域被划分为多个子区域，不同子区域位移场的求解是独立的。还提出了一种带参数的以不完全因子分解为基础的预条件子共轭梯度法求解不同子区域位移场，该算法在块体规模较大时更加有效。     

Numerical simulation of high‐Reynolds number flow around circular cylinders by a three‐step FEM–BEM model

An innovative computational model, developed to simulate high‐Reynolds number flow past circular cylinders in two‐dimensional incompressible viscous flows in external flow fields is described in this paper. The model, based on transient Navier–Stokes equations, can solve the infinite boundary value problems by extracting the boundary effects on a specified finite computational domain, using the projection method. The pressure is assumed to be zero at infinite boundary and the external flow field is simulated using a direct boundary element method (BEM) by solving a pressure Poisson equation. A three‐step finite element method (FEM) is used to solve the momentum equations of the flow. The present model is applied to simulate high‐Reynolds number flow past a single circular cylinder and flow past two cylinders in which one acts as a control cylinder. The simulation results are compared with experimental data and other numerical models and are found to be feasible and satisfactory. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

三维间断位移法及强奇异和超奇异积分的处理方法

从积分方程Somigliana等式出发,导出三维状态下单位位错集度的基本解.在此基础上,建立了边界积分方程,并给出了其离散形式.对强奇异和超奇异积分,采用了Hadamard定义的有限部分积分来处理.最后,给出了计算裂纹应力强度因子的算例,并与解析解进行了比较,证实了该方法的有效性.