基于等几何分析的比例边界有限元方法

提出了一种具有比例边界有限元的半解析特性和等几何分析的几何特性的新方法。该新方法是在比例边界有限元框架中用NURBS曲线或曲面精确描述域边界几何形状,同时域边界位移场采用描述几何形状的NURBS形函数等参构造。这种新方法具有比例边界有限元固有的径向解析特性和NURBS的高阶连续性的优点。数值算例显示,与传统的比例边界有限元相比,基于等几何分析的比例边界有限元方法提高了域边界单元和域内应力场的连续性,减少了计算自由度。应用此方法可以用较少的计算自由度获得更高连续阶和更高精度的位移、应力和应变场。     

热传导问题的比例边界等几何分析

提出比例边界等几何分析SBIGA(Scaled Boundary IsoGeometric Analysis)方法来求解热传导问题。SBIGA兼具比例边界有限元和等几何分析的优势,特别适用于求解包含无限域和奇异物理场的问题。该方法造型十分方便,在径向具有半解析性质,仅需在计算域边界上用NURBS基函数自然离散,为实现CAD/CAE无缝融合提供了新的途径,大大节约前处理和计算耗时。此外,SBIGA无需进一步与CAD系统数据交换就可以保型细分。三个基准算例证明了其在热传导分析中的有效性。与传统比例边界有限元相比,SBIGA模型消除了几何模型误差,并显示出更高的计算精度和收敛速度。     

摩擦接触问题的比例边界等几何B可微方程组方法

摩擦接触问题是计算力学领域最具挑战性的问题之一,接触系统的泛函具有非线性、非光滑的特点,导致接触算法的收敛性与精确性难以保证.因此将比例边界等几何分析(scaled boundary isogeometric analysis,SBIGA)与B可微方程组(B dierential equation,BDE)相结合,提出了求解二维摩擦接触问题的比例边界等几何B可微方程组方法.在比例边界等几何坐标变换的基础上,通过虚功原理推导了关于边界控制点变量的接触平衡方程,表示成B可微方程组形式的接触条件可被严格满足,求解B可微方程组的算法的收敛性有理论保证.此比例边界等几何B可微方程组方法(SBIGA-BDE)只需在接触体边界进行等几何离散,使问题降低一维,能精确描述接触边界,并可通过节点插入算法进行真实接触区域的识别.此外,由于几何建模和数值分析使用相同的基函数,节约了划分网格的时间.以赫兹接触问题和悬臂梁摩擦接触问题为例,通过与解析解及数值计算软件ANSYS计算结果进行对比,验证了该方法求解二维摩擦接触问题的有效性及高精度等特点.      

比例边界等几何分析方法Ⅰ:波导本征问题

提出比例边界等几何方法 (scaled boundary isogeometric analysis, SBIGA), 并用以求解波导本征值问题. 在比例边界等几何坐标变换的基础上, 利用加权余量法将控制偏微分方程进行离散处理, 半弱化为关于边界控制点变量的二阶常微分方程, 即 TE 波或 TM 波波导的比例边界等几何分析的频域方程以及波导动刚度方程, 同时利用连分式求解波导动刚度矩阵. 通过引入辅助变量进一步得出波导本征方程. 该方法只需在求解域的边界上进行等几何离散, 使问题降低一维, 计算工作量大为节约, 并且由于边界的等几何离散, 使得解的精度更高, 进一步节省求解自由度. 以矩形和 L 形波导的本征问题分析为例, 通过与解析解和其他数值方法比较, 结果表明该方法具有精度高、计算工作量小的优点.     

同几何分析研究进展

同几何分析(isogeometric analysis) 是当前工程分析的一种发展趋势, 有可能对计算机辅助工程(CAE) 产生重大影响. 同几何分析的思想是采用计算机辅助设计(CAD) 的几何语言, 如NURBS(non-uniform rational B-spline) 几何替代拉格朗日插值作为分析计算的基础. 这种看似简单的几何语言变化, 消除了困扰CAE 多年 的瓶颈问题, 开启了一条紧密联系分析、设计和优化的新途径. 本文论述了同几何分析的产生背景、理论、优 点及其在各个领域的应用. 系统总结了同几何分析在NURBS, T 样条基函数构建, 非结构化网格构建, 有效 积分方法, 曲面修剪技术, 网格细化等基础理论方面的进展, 以及在板壳问题、大变形问题、流固耦合、结构优 化、接触问题、生物力学、温度场和电磁场等领域的应用, 展示了同几何分析相对于标准多项式插值有限元法 的优势.      

基于等几何边界元法的声学敏感度分析

基于非均匀有理B样条(NURBS)曲面建模技术,边界物理量同样用NURBS基函数插值,推导出三维声场等几何边界积分方程。进一步以控制点为设计变量,用直接微分法推导出等几何敏感度边界积分方程,给出声场声压对形状参量的敏感度。针对边界积分方程中的超奇异积分,使用奇异相消技术并结合Cauchy主值积分和Hadamard有限部分积分处理,给出了超奇异积分的NURBS插值半解析表达式。数值算例验证了本文算法求解声学结构形状敏感度的有效性,为声学结构的整体形状优化打下基础。     

基于等几何分析的边界元法求解二维Laplace方程

针对二维Laplace问题,提出了基于非均匀有理B样条的等几何边界单元法(IGABEM),并利用径向积分法来处理奇异积分。该方法实现了几何与求解域的无缝融合,不仅实现了求解域与几何的完美匹配,而且节约了前处理时间。该方法可以很容易地实现模型的细分,并且在仅增加少量自由度的情况下获得更高的精度。数值算例表明,该方法能够有效地求解二维Laplace方程,且具有非常好的计算精度。     

几何精确的非协调等几何NURBS有限元

本文尝试将传统的非协调有限元技术推广到等几何有限元领域,建立了基于精确几何的非协调等几何分析方法,旨在拓展等几何分析应用范围,以便于等几何分析技术能真正实现CAD和FEA的融合,从而真正实现了无需划分网格的目的。我们定义了非协调的NURBS几何（类似非协调元）,给出了NURBS曲面之间几何弱连续的充分条件,进而定义了非协调的等几何分析,将之归纳为带约束驻值问题,并用拉格朗日方法进行求解。两个算例证明这种方法的有效性。未来的工作主要是证明这种方法在不同几何连续性条件下的收敛性以及将之应用到更广的领域。     

加筋路径驱动的板壳自适应等几何屈曲分析

加筋薄壁结构常被用于航空航天结构的轻量化设计.随着结构尺寸和几何特征的增加,需要更加精细的网格来满足分析精度的要求.传统的等几何方法采用NURBS张量积形式的拓扑结构,使得在分析过程中难以实现局部细化,而全局细化则会增加不必要的自由度.为了提升加筋板壳结构的数值分析精度和效率,提出一种基于RPHT (rational polynomial splines over hierarchical T-meshes)样条的加筋板壳自适应等几何屈曲分析方法.样条网格可以沿着加筋路径进行自适应的局部细化,有效提升低自由度下加筋板壳结构等几何屈曲分析的精度.首先,蒙皮和筋条分别采用RPHT样条曲面和NURBS样条曲线进行建模,几何建模与数值仿真采用统一的几何语言,实现建模与分析的一体化.其次,采用几何投影算法和样条插值算法实现筋条与蒙皮之间的高效高精度强耦合,并建立基于加筋路径驱动自适应网格细化方法.最后,曲线加筋板和网格加筋壳两个算例验证本方法的高效性和鲁棒性,通过与基于NURBS的等几何分析进行对比,本方法能够明显降低分析模型的总自由度.     

非匹配结点的有限单元等参插值方法及其应用研究

针对两零件的异构网格单元结点在接触界面不能相互匹配导致结点属性不能连续过渡和传递的问题,提出非匹配结点的有限单元等参插值方法,通过构建非匹配结点的形函数和修正原结点的形函数,将结点属性值的影响范围限制在可控的局部区域,从而实现两异构网格结点属性在接触界面的连续过渡和传递。通过两个异构的四边形单元网格的结点属性在接触界面的过渡实例和啮合齿轮的接触分析应用,验证了该方法的正确性和有效性。     

Exact geometry based quasi-conforming analysis for Euler-Bernoulli beam

The problem of quick analysis using exact geometry data was proposed by Hughes et al. and the isogeometric analysis framework was introduced as a solution. In this letter, the exact geometry concept is combined into the quasi-conforming framework and a novel method, i.e., the exact geometry based quasi-conforming analysis is proposed. In present method the geometry is exactly described by non-uniform rational B-spline bases, while the solution space by traditional polynomial bases. Present method combines the merits of both isogeometric analysis and quasi-conforming finite element method. In this letter Euler-Bernoulli beam problem is solved as an example and the results show that the present method is effective and promising.     

波导本征问题分析的比例边界有限元方法

引入了一种求解波导本征值问题的高效而精确算法-比例边界有限元方法SBFEM (Scaled Boundary Finite Element Method).该方法的一个特点是只需在边界上进行离散,问题降低一维,使计算工作量大大减少;另一特点是所建立的控制方程为二阶常微分方程,可以解析地求解,使计算精度得到了保证.论文利用变分原理并通过比例边界坐标变换,推导了TE波和TM波波导的比例边界有限元频域方程以及波导动剐度方程,同时给出了波导动刚度矩阵的连分式解形式,通过引入辅助变量进一步得出波导特征值方程并求出波导本征值.以矩形、L形波导和叶型加载矩形波导的本征问题分析为例,通过与解析解及其他数值方法比较,结果表明,此方法具有精度高、计算工作量小的优点,而且随着连分式阶数增加收敛速度快.进一步分析了一类角切四脊正方形波导的传输特性.     

几何精确NURBS有限元中边界条件施加方式对精度影响的三维计算分析

非均匀有理B样条(NURBS)有限元法把计算机辅助几何设计(CAGD)中的NURBS几何构形方法与有限元方法有机结合起来,有效消除了有限元离散模型的几何误差,提高了计算精度。但是由于NURBS基函数不是插值函数,直接在控制节点上施加位移边界条件会引起较大误差。本文详细讨论了NURBS基函数的插值特性,在NURBS有限元分析中采用罚函数法施加位移边界条件,提高了收敛率和计算精度。结合典型三维弹性力学问题,对两种施加位移边界条件的方法进行了对比和分析。计算结果表明,直接施加位移边界条件会导致收敛率和精度的明显降低,而基于罚函数法的NURBS有限元分析则能达到最优收敛率,并具有更高的精度。     

基于移动相似中心的比例边界有限元方法

在传统的比例边界有限元中,相似中心是固定的,难以用其求解关于偏心域的场问题。本文引入移动相似中心的概念,建立新的比例边界坐标变换,并利用加权余量法将控制方程半弱化为关于径向坐标的二阶常微分方程,引入对偶变量,将其降为系数矩阵为Hamilton矩阵的一阶常微分方程。对Hamilton矩阵进行Schur分解,得到微分方程的通解,代入边值条件可得关于积分常数的代数方程。此方法将比例边界有限元扩展到偏心域的边值问题,同时在径向是半解析的,解的精度高;仅需要离散求解域的一个边界,数据量小;在计算中仅需要对Hamilton矩阵进行Schur分解以及求解关于积分常数的代数方程,运算量少。将偏心环形域静电场边值问题的算例与解析解或其他数值方法计算结果的比较,表明此方法具有精度高、数据量小及运算量小的优点。     

基于等几何有限元法的功能梯度微板热力耦合屈曲预测

基于修正偶应力理论和Kirchhoff板理论,建立了功能梯度微板热力耦合屈曲等几何有限元模型。该模型仅包含一个材料尺度参数,能够描述尺度效应现象,且满足修正偶应力理论的高阶连续性要求。基于虚功原理推导了功能梯度微板热力耦合屈曲等几何有限元方程。通过对板的典型算例分析,讨论了材料尺度参数、边长比及梯度指数对板稳定性的影响。结果表明,本文模型预测的屈曲载荷总是大于宏观理论的结果,即捕捉到了尺度效应现象;随着临界屈曲力的增加,临界屈曲热载荷线性减少;此外,边长比和梯度指数也对微板的稳定性产生一定影响。