求解Helmholtz方程基于核重构思想的最小二乘配点法

基于核重构思想构造近似函数，将配点法和最小二乘原理相结合对微分方程进行离散， 建立了Helmholtz方程的最小二乘配点格式，并分别研究了Helmholtz方程的波传播问题和 边界层问题. 通过数值算例可以发现，给出的数值计算结果非常接近于精确解，计算精度明显高于SPH 法的数值结果，且随着节点数目的增加，其精确度越来越高，具有良好的收敛性.     

无网格介点法求解Helmholtz方程

作为一种配点型无网格法,无网格介点MIP法具有数值实施简单、计算精度高、运算高效和适用范围广等优点。Helmholtz方程是科学与工程问题中广泛应用的一类特殊方程,因此对MIP法求解此类方程的适用性进行了验证。利用MIP法的d适应性,给出了MIP法求解该方程的两种计算格式。在数值算例中,分别对平面规则域和不规则域上的一般Helmholtz方程,以及轴对称Helmholtz方程进行了数值分析。结果表明,MIP法完全适用于求解Helmholtz方程。而且,MIP法的计算精度和收敛性都优于普通配点法。此外,MIP法的两种计算格式中,L2C0型通常具有更好的计算效果,故建议将该计算格式作为MIP法求解该类方程的标准形式。     

配点型无网格法理论和研究进展

有限元法是当前工程科学领域应用最广泛的数值计算方法之一,但是其在求解极端大变形、高速碰撞等一些复杂问题时,容易出现网格畸变和网格敏感性,从而导致计算结果精度低和不收敛的问题.为了避免网格带来的问题,出现并兴起了各种无网格法.无网格法不仅建模简便,而且收敛速度更快、计算精度更高,可用于求解有限元等网格类方法难以求解乃至尚未触及的问题.本文首先阐述了无网格法的分类以及具有代表性的方法.目前限制无网格法发展的主要问题是效率偏低.伽辽金型无网格法效率较低,而配点型无网格法效率较高,在复杂问题的高效高精度数值模拟中具有更大潜力.因此本文详细介绍了配点型无网格法的起源和研究进展,归纳了其常用的近似函数和离散方法,最后对无网格法的发展做出了总结和展望.无网格法的研究和改进,为复杂问题的高效高精度数值模拟开辟了新的途径.     

Helmholtz方程的无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法

采用无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法求解Helmholtz方程。通过自然邻接点插值构造试函数,并采用有限元法的三角形线性单元的形函数作为加权残值法的权函数,基于局部Petrov-Galerkin法建立了Helmholtz问题的离散方程。由于所构造的形函数满足KroneckerDelta性质,因此本质边界条件的施加十分方便。数值算例表明,基于无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法的计算结果非常接近精确解,且随着节点的增加,其精确度越来越高,验证了本文方法具有良好的收敛性。     

中厚板的耦合多项式基径向点插值无网格法

采用Mindlin平板理论,通过最小位能原理建立了各向同性中厚板的伽辽金整体弱式方程,形函数采用耦合多项式基的径向点插值法构造,可以直接施加本质边界条件. 算例表明,用耦合多项式基的径向点插值无网格法分析中厚板问题,具有效率高、精度高和易于实现等优点,可以避免薄板弯曲时的剪切自锁现象.     

配点型广义节点无网格法的基本原理及其应用

借鉴流形方法思想,引入广义节点的概念,对传统的无网格法进行了改进,建立了可具有任意高阶多项式插值函数的广义节点无网格方法。同时采用径向插值函数构造具有插值特性的逼近函数;采用配点法建立系统的离散方程。在阐述了这种方法基本原理的同时,针对线弹性力学问题给出了这种方法的数值计算列式。与传统无网格方法相比,这种方法更具有一般性;同时由于采用了配点法而不需要背景积分网格,所以可以认为这种方法是某种真正意义上的无网格法。当选取0阶广义节点位移插值函数时便可得到传统的无网格法;在不增加支持域内节点数目的条件下,通过选取高阶广义节点位移插值函数可以提高计算精度。最后通过算例分析,对0阶、1阶及2阶广义节点无网格法与现有的有关解答进行了对比,论证了其合理性。     

基于Kriging插值无网格法求解轴对称弹性力学问题

基于Kriging插值无网格法,提出了实际应用中复杂轴对称弹性力学问题求解的一条新途径.Kriging插值无网格法是一种新型的无网格法,该方法构造的形函数满足Kronecker delta函数性质,可以直接施加本质边界条件.采用Kriging插值无网格法分析轴对称问题,得到了轴对称问题的无网格离散方程,并编制了相应的计算程序.通过厚壁圆筒的静力学和动力学分析,对所提方法进行了检验.数值算例结果表明,提出的方法对求解轴对称弹性力学问题是行之有效的.     

双重点最小二乘配点无网格法

配点类无网格法需要计算近似函数的二阶导数,因而在移动最小二乘(MLS)近似中至少要采用二次基函数。本文利用Voronoi图对双重点移动最小二乘近似法进行了改进,建立了基于Voronoi图的双重点移动最小二乘近似(VDG),并利用加权最小二乘法离散微分方程,导出了双重点最小二乘配点无网格法(MD GLS)。该方法将求解域用节点离散,并以节点为生成点建立Voronoi图,取Voronoi多边形的顶点为辅助点。近似函数及其二阶导数的计算过程可分解为两个步骤:首先用场函数节点值拟合辅助点处近似函数的一阶导数,再以辅助点处近似函数的一阶导数值拟合节点处近似函数的二阶导数。由于在每一步中只需计算MLS形函数及其一阶导数,这种近似方法需要较少的影响点和较小的影响域。同时借助于Voronoi结构的优良几何性质,可以快速地搜索影响点。研究表明,与基于MLS的加权最小二乘无网格法(MWLS)相比,这种方法可以显著提高计算效率,并且在精度和收敛性方面也有所改善。     

基于核重构思想的配点型无网格方法的研究--一维问题

无网格方法按其离散原理可分为Galerkin型、配点型等。其中Galerkin型无网格方法的实施需要背景网格,不属于真正的无网格法;配点型无网格方法的实施不需要背景网格,是真正的无网格法。本文首先介绍了重构核点法的基本原理,然后基于核重构思想,与配点法相结合,以一维问题为例,研究了配点型无网格方法,对该方法构造过程中的近似函数及其导数的计算、修正函数的计算及方法的实现等问题进行了探讨。并结合若干典型算例,检验了其计算精度与收敛姓。     

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.     

基于核重构思想的最小二乘配点型无网格方法

介绍重构核点法的基本原理和近似函数的构造方法，并基于核重构思想，应用配点法和最小二乘原理，离散微分方程，建立求解的代数方程，提出了一种基于核重构思想的最小二乘配点型无网格方法．与一般配点法相比，该方法的系数矩阵是有对称正定的，计算精度高，稳定性好．该方法的实施不需要背景网格，不需要进行高斯积分，与Galerkin法相比，具有计算量小、边界条件处理简单的特点，是一种真正的无网格法．对该方法构造过程中的近似函数及其导数的计算、修正函数的计算及方法的实现等问题进行了探讨．文中结合若干典型算例，检验了该方法的有效性．     

Numerical simulation of ground water flow via a new approach to the local radial point interpolation meshless method

A novel approach to local radial point interpolation meshless (LRPIM) method is introduced to investigate the influence of leakage on tidal response in a coastal leaky confined aquifer system, based on a local weighted residual method with the Heaviside step function as the weighting function over a local sub-domain. The present approach is a truly meshless method based only on a number of randomly located nodes. In this approach, neither global background integration mesh nor domain integration is needed. Radial basis functions (RBFs) interpolation is employed in shape function and its derivatives construction for evaluating the local weak form integrals. Due to satisfaction of kronecker delta property in RBF interpolation, no special treatment is needed to impose the essential boundary conditions. In order to obtain the optimum parameters, shape parameters of multiquadrics (MQ)-RBF are tuned and studied. The leakage has a significant impact on the tidal behaviour of the confined aquifer. The numerical results of this research indicate that both tidal amplitude of groundwater head in the aquifer and the distance over which the aquifer can be disturbed by the tide are considerably reduced by leakage. The novelty of the approach is the use of a local Heaviside weight function in the LRPIM which does not need local domain integration and only integrations on the boundary of the local domains are needed. Therefore, in this research a new local Heaviside weight function has been proposed. Numerical results are presented and compared with the results of analytical solution. It is observed that the obtained results agreed very well with the results of analytical solution. The numerical results show that the use of a local Heaviside weight function in the LRPIM is highly accurate, fast and robust. It is also noticed that this novel meshless approach using MQ radial basis is very stable.     

不规则区域平面弹性问题的正则区域重心插值配点法

将不规则区域嵌入到规则的矩形区域,在矩形区域上将弹性平面问题的控制方程采用重心Lagrange插值离散,得到控制方程矩阵形式的离散表达式。在边界节点上利用重心插值离散边界条件,规则区域采用置换法施加边界条件,不规则区域采用附加法施加边界条件,得到求解平面弹性问题的过约束线性代数方程组,采用最小二乘法进行求解,得到整个规则区域上的位移数值解。利用重心插值计算得到不规则区域内任意节点的位移值,计算精度可到10^-14以上。数值算例验证了所建立方法的有效性和计算精度。     

Meshless method based on collocation with consistent compactly supported radial basis functions

Based on our previously study, the accuracy of derivatives of interpolating functions are usually very poor near the boundary of domain when Compactly Supported Radial Basis Functions (CSRBFs) are used, so that it could result in significant error in solving partial differential equations with Neumann boundary conditions. To overcome this drawback, the Consistent Compactly Supported Radial Basis Functions (CCSRBFs) are developed, which satisfy the predetermined consistency conditions. Meshless method based on point collocation with CCSRBFs is developed for solving partial differential equations. Numerical studies show that the proposed method improves the accuracy of approximation significantly. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10172052)     

A numerical approach based on the meshless collocation method in elastodynamics

In this paper, a collocation technique with the modified equilibrium on line method （ELM） for imposition of Neumann （natural） boundary conditions is presented for solving the two-dimensional problems of linear elastic body vibrations. In the modified ELM, equilibrium over the lines on the natural boundary is satisfied as Neumann boundary condition equations. In other words, the natural boundary conditions are satisfied naturally by using the weak formulation. The performance of the modified version of the ELM is studied for collocation methods based on two different ways to construct meshless shape functions： moving least squares approximation and radial basis point interpolation. Numerical examples of two-dimensional free and forced vibration analyses show that by using the modified ELM, more stable and accurate results would be obtained in comparison with the direct collocation method.     

二维水下声辐射问题的改进径向基点插值法研究

径向基点插值法是一种典型的无网格数值计算方法,在分析声学问题时,相比于传统有限元法能更好地抑制频散误差,且在相同的节点分布下通常可以得到更精确的数值解。本文提出一种改进的节点选取方案用于构造插值形函数,即改进径向基点插值法。该方案采取一个简单而直接的格式,可确保在进行数值积分时同一背景积分单元中的被积函数是连续可微的,从而减小数值积分误差,得到比原始径向基点插值法更精确的数值解。同时,为了处理外声场问题,本文采用DtN映射技术将无限域截断为有界计算域,满足索默菲尔德辐射条件。数值试验表明,相比于传统有限元法和原始径向基点插值法,本文改进方法具有更高的计算精度和计算效率,在研究水下声辐射问题时具有良好的应用前景。