大型圆形贮液池力学分析中的重心插值拟谱法

针对传统大型圆形贮液池力学分析方法计算复杂、精度不高的问题,用拟谱法对圆形贮液池的线弹性静力问题进行了研究.采用重心Lagrange插值多项式建立未知函数的微分矩阵,将池壁的控制方程表示为代数方程组.通过求解代数方程组,求得池壁各个离散点挠度,进而采用微分矩阵直接求得池壁内力.算例表明,该方法原理简单,易于程序实现和数值计算精度高.     

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。     

不规则区域平面问题的条形传递函数方法

对条形传递函数方法进行了改进,提出了映射条形传递函数方法,用于处理非正规形状区域的平面问题。在本文方法中,一个非正规区域被映射成为若干矩形子区域的组合,在这些矩形子区域内划分条形单元,进而建立起位移离散模型。利用变分关系对模型处理,可以得到问题的动态控制方程。应用改进后得到的数值传递函数求解,就可以得到系统的动力、静力响应。文后应用上述方法建立了应用模型并给出了数值算法,结果表明本方法继承了原方法精度高、处理规范、便于求解动态问题等,并成功地应用到了非规则区域的平面问题中。     

基于拉格朗日插值的无网格直接配点法和稳定配点法

由于无网格法中大多数近似函数均为有理式,不具有Kronecker delta性质,因此难以精确地施加本质边界条件.边界误差较大容易导致整个求解域求解结果精度低,甚至引起数值不稳定现象.文章在无网格直接配点法和稳定配点法中引入拉格朗日插值函数作为形函数,构建了拉格朗日插值配点法(LICM)和拉格朗日插值稳定配点法(SLICM).由于拉格朗日插值具有Kronecker delta性质,可以像有限元法一样简单而精确地施加本质边界条件,提高这两种方法的数值求解精度.稳定配点法基于子域对强形式方程进行积分,可以满足高阶积分约束,即可以保证形函数在积分形式下也满足高阶一致性条件,实现精确积分.同时,进行子域积分还可以减少离散矩阵的条件数,从而提高算法的稳定性.进一步提高拉格朗日插值稳定配点法的精度和稳定性.通过数值算例验证这两种方法的精度、收敛性和稳定性,结果表明基于拉格朗日插值的配点法的精度优于基于重构核近似的配点法,拉格朗日插值稳定配点法的精度和稳定性均优于拉格朗日插值配点法.     

滑动最小二乘插值函数配点法

给出了利用滑动最小二乘法构造加权残值法中试函数的方法，对试函数中的基函数以及权函数的选取提出了建议；该试函数适用于任何定解问题，采用配点法求出试函数中的系数，进而可得到定解问题的近似解，利用该试函数对简支板的挠曲，悬臂梁的弯曲，以及中心具有小圆孔的大板的均匀拉伸等三个例子进行了数值计算，并与理论结果进行对比，同时还检验了该法的精度对结点数，配点数，以及结点影响半径的依赖情况，结果表明，该试函数适用于多种边值问题，且精度高，该法简化了选择试函数的过程，尤其适用于工程中的各种数值计算。     

一种与传递矩阵结合的配点法

本文改进和发展了文献(1)、(2)中提出的广义传递子结构法和配点法,提出了一种新的有效的直接求解结构动力学平衡方程的配点法与传递矩阵法相结合的数值计算方法。在此方法中修正的传递矩阵可用于每个短时间增量中的动态反应分析中。进一步提出了广义传递矩阵的新概念,建立能计算任何动荷载作用下结构的动力反应的一般递推公式。文中给出数字实例证明所建议方法是正确的和可行的。     

非线性MEMS微梁的重心有理插值迭代配点法分析

文章利用重心有理插值迭代配点法分析计算非线性MEMS微梁问题。通过处理MEMS微梁的几何通过假设初始函数,将微梁非线性控制方程转换为线性化微分方程,建立逼近非线性微分方程的线性化迭代格式。采用重心有理插值配点法求解线性化微分方程,提出了数值分析MEMS微梁非线性弯曲问题的重心插值迭代配点法。给出了非线性微分方程的直接线性化和Newton线性化计算公式,详细讨论了非线性积分项的计算方法和公式。利用重心有理插值微分矩阵,建立了矩阵-向量化的重心插值迭代配点法的计算公式。数值算例结果表明,重心插值迭代配点法求解微梁非线性弯曲问题,具有计算公式简单、程序实施方便和计算精度高的特点。     

弹性地基具有自由角点矩形板边界配值法

本文采用求解弹性地基圆板问题的边界配值法~[1],解决了弹性地基上四边自由或一边夹支悬臂板(或任意边界约束)作用着任意载荼的问题。计算结果与精确解~[2]相比,相同到小数点后五位。另外本再次验证了文[1]所提出的结论,即当弹性地基系数K与板长a满足K≤D/a~4时,具有边界支撑板与无地基悬空板结果相同。因而本文方法直接推广到平板弯曲问题,具有较强的通用性。     

平面弹性问题的位移-应力混合重心插值配点法

提出数值分析平面弹性问题的位移-应力混合重心插值配点法。将弹性力学控制方程表达为位移和应力的耦合偏微分方程组,采用重心插值近似未知量,利用重心插值微分矩阵得到平面问题控制方程的矩阵形式离散表达式。使用重心插值离散位移和应力边界条件,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,应用最小二乘法求解过约束方程组,得到平面弹性问题位移和应力数值解。数值算例结果表明,重心Lagrange插值方法的计算精度可达到10~(-10)量级。位移-应力混合重心插值配点法的计算公式简单、程序实施方便,是一种高精度的无网格数值分析方法。     

基于点插值的配点型无网格法解Helmholtz问题

基于点插值法的思想,用三角函数作为基函数在局部支持域内构造具有Kroneckerδ函数性、单位分解性、高阶连续性、再生性和紧支性的形函数.用配点法离散微分方程,得到了具有稀疏带状性的系数矩阵,用GMERS方法求解代数方程组,分别研究了Helmholtz问题的边界层问题和波传播问题.通过数值算例可以发现,给出的数值结果非常接近于精确解,且随着节点的增加,其精确度越来越高,具有良好的收敛性.     

求解弹性力学问题的有理单元法

传统的位移有限元法采用多项式形式的位移试函数,对于边数大于4的多边形单元,构造满足单元间协调性要求的多项式形式位移插值函数是一件困难的工作。本文利用逆距离权插值的思想并考虑到单元节点的分布,建立了边数大于4多边形单元上的有理函数形式的形函数。利用有理试函数,采用Galerkin法推导出求解平面弹性力学问题的有理单元法。采用有理单元法求解弹性力学问题,求解区域根据需要可以划分为任意多边形单元,极大地提高了网格划分的灵活性。有理单元法不依赖等参变换,不同单元的形函数表达形式统一,方便计算程序的编写。     

BOUNDARY INTEGRAL FORMULAS FOR ELASTIC PLANE PROBLEM OF EXTERIOR CIRCULAR DOMAIN

After the stress function and the normal derivative on the boundary for the plane problem of exterior circular domain are expanded into Laurent series, comparing them with the Laurent series of the complex stress function and making use of some formulas in Fourier series and the convolutions, the boundary integral formula of the stress function is derived further. Then the stress function can be obtained directly by the integration of the stress function and its normal derivative on the boundary. Some examples are given. It shows that the boundary integral formula of the stress function is convenient to be used for solving the elastic plane problem of exterior circular domain.     

基于最优概率配点的向量型层递响应面法分析结构可靠度

概率配点的选取策略是响应面法研究的关键问题之一.论文提出了配点矩阵行满秩原则,据此筛选层递响应面的最优概率配点.首先利用结构总体刚度矩阵和荷载列阵定义预处理随机Krylov子空间,并利用该空间的层递基向量近似展开结构的总体节点位移向量,建立层递响应面表达式;然后利用层递基向量所对应的基本随机变量组合构造随机行向量,并形成配点矩阵,根据配点矩阵行满秩原则筛选确定层递响应面的最优概率配点,进而通过回归分析确定层递响应面的待定系数.分析表明,层递响应面法具有良好的全域性且待定系数极少;基于配点矩阵行满秩原则筛选最优概率配点能够排除大部分作用不大的配点,大幅减少概率配点数目,与传统响应面法及随机响应面法相比,层递响应面法能够取得更好的计算效率和精度.     

A Cartesian grid method for two‐phase gel dynamics on an irregular domain

We develop a numerical method for simulating models of two‐phase gel dynamics in an irregular domain using a regular Cartesian grid. The models consist of transport equations for the volume fractions of the two phases, polymer network and solvent; coupled momentum equations for the two phases; and a volume‐averaged incompressibility constraint. Multigrid with Vanka‐type box relaxation scheme is used as a preconditioner for the Krylov subspace solver (GMRES) to solve the momentum and incompressibility equations. Ghost points are used to enforce no‐slip boundary conditions for the velocity field of each phase, and no‐flux boundary conditions for the volume fractions. The behavior of the new method, including its rate of convergence, is explored through numerical experiments for a problem in which strong phase separation develops from an initially (almost) homogeneous phase distribution. We also use the method to explore situations, motivated by biology, which show that imposed boundary velocities can cause substantial redistribution of network and solvent. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

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.     

格子Boltzmann方法中基于内插值的曲线边界处理新方法

对格子Boltzmann方法提出了一种新的曲面边界条件处理方法。在笛卡尔坐标系中,这种处理方法是现有的格子Boltzmann方法有关边界条件处理与浸入式边界条件的混合,它采用内插值方法计算靠近物理边界的网格点速度,使其保证最低精度为二阶,然后利用格子Boltzmann方法中的边界条件技术得到相应的分布函数。由理论推导和数值计算表明,本文提出的方法比其他方法更稳定且具有二阶精度。     

An efficient second‐order accurate cut‐cell method for solving the variable coefficient Poisson equation with jump conditions on irregular domains

A numerical method is presented for solving the variable coefficient Poisson equation on a two‐dimensional domain in the presence of irregular interfaces across which both the variable coefficients and the solution itself may be discontinuous. The approach involves using piecewise cubic splines to represent the irregular interface, and applying this representation to calculate the volume and area of each cut cell. The fluxes across the cut‐cell faces and the interface faces are evaluated using a second‐order accurate scheme. The deferred correction approach is used, resulting in a computational stencil for the discretized Poisson equation on an irregular (complex) domain that is identical to that obtained on a regular (simple) domain. In consequence, a highly efficient multigrid solver based on the additive correction multigrid (ACM) method can be applied to solve the current discretized equation system. Several test cases (for which exact solutions to the variable coefficient Poisson equation with and without jump conditions are known) have been used to evaluate the new methodology for discretization on an irregular domain. The numerical solutions show that the new algorithm is second‐order accurate as claimed, even in the presence of jump conditions across an interface. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

A fictitious domain approach for the Stokes problem based on the extended finite element method

In the present work, we propose to extend to the Stokes problem a fictitious domain approach inspired by extended finite element method and studied for the Poisson problem in a paper of Renard and Haslinger of 2009. The method allows computations in domains whose boundaries do not match. A mixed FEM is used for the fluid flow. The interface between the fluid and the structure is localized by a level‐set function. Dirichlet boundary conditions are taken into account using Lagrange multiplier. A stabilization term is introduced to improve the approximation of the normal trace of the Cauchy stress tensor at the interface and avoid the inf‐sup condition between the spaces for the velocity and the Lagrange multiplier. Convergence analysis is given, and several numerical tests are performed to illustrate the capabilities of the method. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.