基于Bézier提取的三维等几何分析

等几何分析(IGA)将非均匀有理B样条(NURBS)函数作为有限元形函数,具有几何精确、高阶连续和精度高等优点。与常规有限元法C0连续的形函数不同,高阶IGA基函数不是定义在一个单元上,而是跨越由几个单元组成的参数空间,因而编程复杂且无法嵌入现有的有限元法计算框架及相应算法。本文建立了基于Bézier提取的三维IGA,将NURBS函数分解成伯恩斯坦多项式的线性组合,从而实现把NURBS单元分解为C0连续Bézier单元,这些单元与Lagrange单元相似,使IGA的实现和常规有限元一样,以便将IGA分析嵌入现有的有限元软件中。两个三维算例结果表明,基于Bézier提取的IGA和传统IGA的收敛性和精度相同。     

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。     

IMPOSING DISPLACEMENT BOUNDARY CONDITIONS WITH NITSCHE＇S METHOD IN ISOGEOMETRIC ANALYSIS

等几何分析使用 NURBS 基函数统一表示几何和分析模型, 消除了传统有限元的网格离散误差, 容易构造高阶连续的协调单元. 对于结构分析, 选择合适的几何参数可以得到光滑的应力解, 避免了后置处理的应力磨平. 但是由于 NURBS 基函数不具备插值性, 难以直接施加位移边界条件. 针对这一问题, 提出一种基于 Nitsche 变分原理的边界位移条件“弱”处理方法, 它具有一致稳定的弱形式, 不增加自由度, 方程组对称正定和不会产生病态矩阵等优点. 同时给出方法的稳定性条件, 并通过求解广义特征值问题计算稳定性系数. 最后, 数值算例表明 Nitsche 方法在h细化策略下能获得最优收敛率, 其结果要明显优于在控制顶点处直接施加位移约束.}     

等几何分析中采用Nitsche法施加位移边界条件

等几何分析使用NURBS基函数统一表示几何和分析模型,消除了传统有限元的网格离散误差,容易构造高阶连续的协调单元.对于结构分析,选择合适的几何参数可以得到光滑的应力解,避免了后置处理的应力磨平.但是由于NURBS基函数不具备插值性,难以直接施加位移边界条件.针对这一问题,提出一种基于Nitsche变分原理的边界位移条件"弱"处理方法,它具有一致稳定的弱形式,不增加自由度,方程组对称正定和不会产生病态矩阵等优点.同时给出方法的稳定性条件,并通过求解广义特征值问题计算稳定性系数.最后,数值算例表明Nitsche方法在h细化策略下能获得最优收敛率,其结果要明显优于在控制顶点处直接施加位移约束.     

等几何壳体分析与形状优化

首先基于Reissner-Mindlin理论进行了三维壳体等几何分析,而后基于此对三维壳体进行形状优化,提出了形状优化中灵敏度的全解析计算方法,包括位移应变阵、雅克比阵和刚度阵等相对控制顶点位置的灵敏度解析计算公式;通过实例验证了壳体等几何分析和灵敏度全解析计算方法的有效性。与传统的基于网格的灵敏度半解析计算方法相比,基于NURBS的灵敏度全解析计算具有精确、计算效率高的特点,且可以避免优化迭代中的网格畸变。     

等几何壳体分析与形状优化

首先基于Reissner-Mindlin理论进行了三维壳体等几何分析,而后基于此对三维壳体进行形状优化,提出了形状优化中灵敏度的全解析计算方法,包括位移应变阵、雅克比阵和刚度阵等相对控制顶点位置的灵敏度解析计算公式;通过实例验证了壳体等几何分析和灵敏度全解析计算方法的有效性。与传统的基于网格的灵敏度半解析计算方法相比,基于NURBS的灵敏度全解析计算具有精确、计算效率高的特点,且可以避免优化迭代中的网格畸变。     

框架结构屈曲的精确有限元求解

基于屈曲微分控制方程的一般解,构造了Euler梁在轴力作用下的精确形函数,建立了用于框架结构屈曲分析的精确有限单元,得到了单元刚度矩阵和几何刚度矩阵的显式表达,并提出了基于常规特征值计算的迭代算法以确定屈曲载荷及相应失稳模态的精确解. 研究表明, 对于线性稳定性分析而言,常规框架有限单元可视为精确有限单元的一种近似. 若采用精确单元,无需进行网格细分就可以获得精确的屈曲载荷和失稳模态. 数值算例证明了新单元和算法的效率和精度.      

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.      

开口薄壁杆件结构稳定分析的精确单元和两步求解算法

从控制微分方程的通解出发,构造受偏心压力作用开口薄壁杆件的精确形函数,建立用于开口薄壁杆件结构稳定性分析的精确有限元,得到了单元刚度矩阵和几何刚度矩阵的显式表达,提出了计算给定区间内各阶临界荷载以及相应失稳模态的两步计算方法。计算结果表明,与常规单元相比,采用精确单元无需进行网格细分就可以获得精确的数值结果,结合本文的两步求解算法,可以准确获得给定区间内全部临界荷载和失稳模态。     

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。     

非连续问题中单元分割的模板方法

扩展有限元法(extended finite element method,XFEM)因具有裂纹几何独立于模拟网格、裂纹扩展时无需网格重分重映、计算精度高等优点,成为裂纹分析的主流数值方法之一.但该方法在工程实践中存在单元被裂纹分割的几何困难——现有精确几何分割方法实现复杂、计算量大、鲁棒性差.为克服这一困难,本文提出...     

位势边界元法中的边界层效应与薄体结构

边界层效应与薄体结构问题的数值分析是边界元法的难点之一,其实质是近奇异积分的精确计算. 现有的处理近奇异积分的多数方法,特别是精确积分法,通常考虑的是线性几何单元.然而,多数工程问题的几何区域是十分复杂的,采用高阶几何单元近似显然能更好地逼近问题的真实边界,所得结果也将更加精确. 但由于高阶几何单元下的雅可比及被积函数形式的复杂性,相应的近奇异积分的精确计算一直是一个非常困难的问题. 提出一种新的反插值思想和方法,将被积函数中的规则部分用反插值多项式近似,从而导出计算近奇异积分的精确表达式. 数值算例表明,该算法稳定,效率高,在不增加计算量的前提下,极大地改进了近奇异积分计算的精度,成功地解决了边界层效应与薄体结构问题.      

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.     

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。     

等几何修正准凸无网格法

采用等几何B样条基函数的多项式再生条件对无网格形函数的多项式再生条件进行了修正,使得无网格形函数的负值部分明显减少,在域内趋于非负函数,即等几何修正准凸无网格形函数。该准凸无网格形函数仍然具有与传统再生核无网格形函数相似的构造形式,数值实现比较便捷,同时该准凸无网格形函数的多项式再生条件具有准确的修正系数,无需引入额外的人工节点松弛参数。更重要的是,等几何修正准凸无网格形函数可在确保形函数高阶光滑的前提下减小相对支持域,提高计算效率。最后,基于等几何修正准凸无网格形函数对杆梁和膜板结构进行了伽辽金无网格振动分析。结果表明,与标准再生核无网格法相比,等几何修正准凸无网格法具有更优的计算精度。     

壳结构的无网格局部Petrov-Galerkin方法

无网格近似函数具有高度光滑性,能够很好的逼近曲壳表面及其位移场。无网格局部Petrov-Galerkin方法不论插值还是离散都不需要单元,是一种真正的无网格方法。本文基于无网格局部Petrov-Galerkin方法的基本原理,采用移动最小二乘插值,利用控制微分方程弱形式,建立了Mindlin壳结构的无网格局部Petrov-Galerkin分析方法,用屋顶壳、受夹圆柱壳、几何非线性圆柱壳作为计算实例分析了求解精度、收敛性和稳定性,并与精确解和有限元计算结果进行了对比,表明该方法计算精度高及收敛性好。     

多边形有限元研究进展

有限元法是数值求解偏微分方程边值问题的重要方法,采用不规则多边形单元网格, 可以方便有效地模拟材料的力学性能, 又使得区域网格剖分变得灵活方便. 特别是对于复杂的几何形状, 多边形单元网格具有更大的优势. 本文对国内外有关多边形有限元法的最新进展作了初步的总结和评述, 主要以基于位移法的多边形有限元为主.论述了多边形有限元的发展历史, 给出了多边形单元上的Wachspress插值、Laplace插值和重心坐标的一些最新研究成果. 与经典有限元法形函数为多项式形式不同, 多边形单元的形函数为有理函数或者无理函数形式. 多边形单元插值形函数满足线性完备性, 可以再现线性位移场, 像经典有限元法一样直接施加本质边界条件; 插值函数在多边形的边界上是线性的,确保不同单元间的自动协调. 不同单元的插值形函数表达公式形式统一, 方便混合单元网格计算的程序编写. 提出了多边形有限元法今后需要研究的问题.      

自然单元法研究进展

自然单元法是一种基于Voronoi图和Delaunay三角化几何结构,以自然邻点插值为试函数的一种新型数值方法.其既具有无网格方法和经典有限元方法的优点,又克服了两者的一些缺陷,是一种发展前景广阔的求解微分方程的数值方法.自然单元法的形函数满足插值性质,可以像有限元法一样直接施加本质边界条件,不存在基于移动最小二乘拟合的无网格方法不能直接施加本质边界条件的难题.由于自然单元法是无网格方法,可以方便处理有限元方法较难处理的一些问题,例如移动边界和大变形等问题.自然单元法与其他数值方法的最根本区别于其插值格式的不同.将自然邻点插值用于Galerkin过程,就得到基于Voronoi结构的自然单元Galerkin法.自然邻点插值有自然邻点Sibson插值和Laplace插值(非Sibson插值)两种.Laplace插值比Sibson插值在计算上要简单的多,并且不论对凸的或非凸的区域都能精确施加本质边界条件.以Laplace插值为试函数的自然单元法在数值实施上比以Sibson插值为试函数的自然单元法简单.本文对基于Voronoi结构的自然邻点插值和自然单元法的基本思想作了介绍,综述了国内外关于自然单元法的研究成果,总结了自然单元法的优点和尚需解决的问题.      

数学网格和物理网格分离的有限单元法(I):基本理论

常规有限单元法在复杂边界问题的网格剖分、可移动边界和非连续变形问题的数值模拟等方面存在困难.本文将常规的有限单元分离为几何上相互独立的数学单元和物理单元,基于数学单元构造近似函数,引入位移模式关联法则以确定物理单元的位移模式,提出了在现有有限单元法框架内、基于数学网格和物理网格分离的强化有限单元法(FEM++).与常规有限单元法(SFEM)比较表明,强化有限单元法不仅很好地克服了常规有限单元法网格剖分上的困难,而且提供了一条更简便、更自然的分析移动边界问题和非连续变形问题的新途径.最后,通过数值算例验证了强化有限单元法的适用性和有效性.     

基于T样条的变网格等几何薄板动力学分析

具有大位移、大变形的薄板在接触碰撞等工况下, 其局部应变会产生剧烈变化. 为了保证对其进行动力学分析的精度和计算效率, 本文整合计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助工程(CAE)系统, 提出了一种基于T样条曲面的变网格柔性系统等几何分析方法. 首先, 建立基于T样条曲面单元的基尔霍夫薄板运动学模型, 并根据非线性格林?拉格朗日应变建立由T样条曲面单元离散的薄板弹性模型. 其次, 通过在T网格中的局部区域插入节点的方式, 达到T样条曲面网格局部更新的目的. 利用T样条混合函数细化算法得到计算新广义变量的转换矩阵, 并结合广义α法创建了变自由度系统动力学方程的求解算法, 形成了系统的T样条单元局部细化算法. 最后, 静力学算例与柔性单摆模型分别验证了T样条薄板弹性模型的正确性, 以及T样条薄板单元在动力学分析上的精度和收敛性. 通过对受冲击柔性薄板的动力学分析表明, 本文所提出T样条单元及局部细化算法可以只在接触碰撞等应变剧烈变化的区域实现局部网格细化, 从而控制系统自由度数, 提高计算效率.