比例边界坐标插值方法在谱元法中的应用——无穷域Euler方程的数值模拟

将比例边界坐标插值方法引入谱元法, 构成比例边界谱单元, 对无穷域Euler方程进行数值模拟.阐述了比例边界谱单元的基本使用方法以及基于比例边界谱元的Runge-Kutta间断Galerkin方法求解Euler方程的过程;计算了无穷域圆柱和NACA0012翼型绕流问题, 并与已有结果进行了比较, 显示了计算结果的正确性.用基于比例边界谱元的间断Galerkin方法求解无穷域Euler方程时, 最多只需将求解域划分为2个子域, 避免了一般谱方法将求解域划分为9个或者27个子域的麻烦. 比例边界谱单元为无穷域Euler方程的直接求解提供了一个可供参考的方法.     

挠性边界圆薄板的半解析模态分析

圆薄板控制方程复杂、边界挠性不易描述,边界挠性对圆薄板动态特性的影响规律研究尚不充分。本文采用Hamilton变分原理建立了挠性边界圆薄板的动力学方程;采用Fourier级数描述边界挠性,应用Galerkin方法对其简化;利用小参数摄动分析获得了挠性边界圆薄板固有频率的半解析式。本文给出的圆薄板固有频率半解析结果表明:边界挠性可使圆板固有频率降低;挠性参数的均值对固有频率的影响最大。本文研究可为圆薄板边界的模拟设计提供参考。     

构造上正交各向异性凹凸板等效刚度的研究

针对构造上正交各向异性凹凸板等效刚度的研究问题,考虑经典弹性薄板理论和凹凸板的几何周期特性,划分出了以凸起为中心的典型单元,首先研究了典型单元的刚度特性,再通过刚度组合方法得到了凹凸板的等效弯曲刚度;然后以四边简支正交各向异性凹凸板为例,基于经典薄板理论中纳维二重三角级数推广到正交各向异性板的解,利用本文的等效刚度公式分别计算了在集中载荷作用下板的挠度和其自身的固有频率。计算结果与ANSYS有限元的模拟结果进行对比,理论计算与有限元模拟结果一致,验证了本文等效解析方法的合理性和精确性。最后讨论了凹凸板的各项尺寸参数对刚度等效精度的影响,并对其原因进行了分析。本文给出的等效刚度解析方法便于工程应用,尤其在应对大规模凹凸板刚度求解中具有计算简便的优点,研究结果对凹凸板静力学和动力学的研究以及实际工程应用具有重要的指导意义。     

弹性力学的重构核粒子边界无单元法与有限元的耦合法

将重构核粒子边界无单元法(RKP-BEFM)与有限元法(FEM)耦合,形成求解具有区域特征的弹性力学问题的重构核粒子边界无单元与有限元的耦合方法RKP-BEF/FE.推导了重构核粒子边界无单元与有限元耦合方法的离散化公式,建立了节点未知量的耦合方程.重构核粒子边界无单元法和有限单元法的较高精度保证了这一直接耦合方法的成功实现与求解精度.最后给出了平面问题的数值算例,验证了提出的耦合方法RKP-BEF/FE的有效性.     

样条矩形单元

本文讨论了样条分段(分片)插值,给出了插值基函数的显式及B样条表达式,使得样条插值在局部单元上完成,并用于有限元分析,建立了样条矩形单元。用样条矩形单元求解问题对,可套用有限元的现成计算程序,处理各类边界条件及区域内部的约束条件,此外对于非均匀划分的单元网格,阶梯形边界形状的使用也较方便灵活。     

等参管单元及其在热传导问题边界元法中的应用Isoparametric tube elements and their application in heat conduction BEM analysis

采用边界元法（BEM ）求解实际工程问题时,很大一部分误差来自于离散误差。为此,本文基于Lagrange插值原理,提出了一种三维等参管单元边界元算法,该单元能很好地模拟管状结构的几何外形并对物理量进行高阶插值,大大地消除了离散误差。另外,当在边界元法中使用等参管单元时,提出了一种在等参平面内消除积分奇异性的方法。算例表明,本文算法具有划分网格少,求解精度高的优点。     

薄板小波有限元理论及其应用

利用样条小波尺度函数构造了常用的三角形和矩形薄板单元的位移函数,得到了利用小波函数表示的形函数。采用合理的局部坐标,对单元进行压缩,使单元在局部坐标区间上有其值,成功地推导出了分域的三角形和矩形薄板小波有限元列式。在此基础上,提出了弹性地基薄板的小波有限元求解方法。通过两个算例对薄板的挠度和弯矩进行了计算,数值结果表明,求解结果具有收敛快、精度高的特点。     

用边界元法分析有摩擦弹性接触问题的一个新方法

本文提出了用边界元法分析有摩擦弹性接触问题的一个新方法,即边界元混合法。该方法是用边界元法先求出接触边界的接触内力的影响系数矩阵,再由接触边界的连续性条件求解接触内力,将接触面上的几何非线性转化到局部求解,使接触迭代的计算量大大降低。通过实例,将求出的计算结果同理论解以及其它数值方法的结果进行了比较,表明该方法是非常有效的。     

弹性地基板的无奇异边界元解法

本文用无奇异边界单元法,分析弹性地基上薄板的弯曲问题,考虑Winkler和双参数地基模型,选择第三类复变量的Bessel函数作为该问题的基本解,由此导出了一组权函数,在数值解法中,对面荷载积分项均统一化为边界积分,避免了在域内划分网格,文中还给出了一种考虑桩支承的边界元分析方法及域内点弯矩和接触应力的计算公式。     

曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析

相比传统加筋板,曲线加筋板能够更充分地发挥材料力学性能.在加筋板力学分析中,厚板通常采用Reissner-Mindlin理论,然而当板厚较薄时易出现剪切自锁,离散的Kirchhoff-Mindlin理论采用假设剪切应变场可避免该问题.针对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析,采用离散的Kirchhoff-Mindlin三角形单元和Timoshenko曲梁单元分别模拟板和加强筋,根据板的位移插值函数及筋板交界面的位移协调条件,建立基于板单元位移自由度的有限元方程.为了验证方法的有效性和准确性,采用直线加筋薄板、曲线加筋薄板和厚板3种模型进行算例研究,通过收敛性和精度分析来选择合理的有限元网格密度.直线加筋薄板前20阶固有频率均与文献结果吻合良好;曲线加筋板算例中,本文方法满足收敛条件的板单元数目为2469,Nastran模型板单元数目为6243;本文所得曲线加筋板固有频率与Nastran计算结果最大误差为3.4%.研究结果表明,本文方法无需筋板单元共节点,可使用较少的有限元网格数量,并能够保证计算精度;在离散Kirchhoff-Mindlin三角形板单元基础上构造Timoshenko梁单元可同时适用于曲线加筋薄板与厚板自由振动分析.     

变水深坝—库系统耦振分析的边界元—有限元混合法

常用的混合元法解变水深坝－库系统的耦振，需要对变水深部分的流场进行域离散，计算工作量大，该文利用Ｆｒｉｅｄｍａｎ的算子函数理论，构造了势流问题在无限长带形域中的Ｇｒｅｅｎ函数，从而使流场的边界元剖分只限于变水深区域的边界，关于坝体仍采用有限元离散，最后借助所导出的有限元－边界元格式对坝－库系统的实例作了数值计算，结果证明了它的有效性。     

An efficient iteration algorithm of mixed boundary/finite element method and application to free torsional vibration analysis of bodies of revolution

In this paper,the general formulation of a new proposed iteration algorithm of mixedBEM/FEM for eigenvalue problems of elastodynamics is described.Approximatefundamental solutions of elastodynamics are adopted in the normal mixed BEM/FEMequations.The accuracy of solutions is progressively improved by the iteration procedure.Not only could the awkwar dness of non-algebraic eigenvalue equations be avoided but alsothe accuracy of numerical solutions is almost independent of the interior meshing.All thesegive many advantages in numerical calculation.The algorithm is applied to free torsionalvibration analysis of bodies of revolution.A few cases are studied.All of the numericalresults are very good.     

求解水下纵向加肋无限长非圆柱壳声辐射问题的一种新的半解析方法

基于齐次扩容精细积分法和复数矢径虚拟边界谱方法，利用Fourier积分变换和稳相法，提出了一种具有较高效率和精度的新的求解水下纵向加肋无限长非圆柱壳声辐射问题的半解析方法．考虑了非圆柱壳和肋骨之间同时存在多种相互作用力和力偶矩，较已往很多学者仅计及法向相互作用力更加符合实际．不仅比较了该文方法和精确解计算纵向加肋圆柱壳在集中点力激励下的声辐射计算结果，同时还研究了肋骨数量、大小以及椭圆柱壳横截面椭圆度对声辐射特性的影响．数值计算结果表明该文方法较已有的混合FE-BE法更为有效．     

A new boundary element approach of modeling singular stress fields of plane V-notch problems

In this paper, a new boundary element (BE) approach is proposed to determine the singular stress field in plane V-notch structures. The method is based on an asymptotic expansion of the stresses in a small region around a notch tip and application of the conventional BE in the remaining region of the structure. The evaluation of stress singularities at a notch tip is transformed into an eigenvalue problem of ordinary differential equations that is solved by the interpolating matrix method in order to obtain singularity orders (degrees) and associated eigen-functions of the V-notch. The combination of the eigen-analysis for the small region and the conventional BE analysis for the remaining part of the structure results in both the singular stress field near the notch tip and the notch stress intensity factors (SIFs).Examples are given for V-notch plates made of isotropic materials. Comparisons and parametric studies on stresses and notch SIFs are carried out for various V-notch plates. The studies show that the new approach is accurate and effective in simulating singular stress fields in V-notch/crack structures.     

Eigensolutions to a vibroacoustic interior coupled problem with a perturbation method

In this paper, an efficient and robust numerical method is proposed to solve non-symmetric eigenvalue problems resulting from the spatial discretization with the finite element method of a vibroacoustic interior problem. The proposed method relies on a perturbation method. Finding the eigenvalues consists in determining zero values of a scalar that depends on angular frequency. Numerical tests show that the proposed method is not sensitive to poorly conditioned matrices resulting from the displacement–pressure formulation. Moreover, the computational times required with this method are lower than those needed with a classical technique such as, for example, the Arnoldi method.     

伸缩虚拟边界元法解二维Helmholtz外问题

以位势理论为基础，提出了求解Helmholtz外问题的伸缩虚拟边界元法．给出了该方法在全波数域内获得唯一解的严格数学证明，其核心是通过伸缩虚拟边界使对偶内问题的特征频率(本征值)避开与波数重合，从而保证了解的唯一性，同以往前人提出的几种解法途径相比，该法简单得多；通过诸多边界曲线形状和不同边界量的声辐射算例，从计算精度、稳定性以及克服解的非唯一性等方面，对该方法进行了检验．计算结果表明：对远场或近场辐射声压，该方法都具有非常高的效率和精度．     

A hybrid/mixed model finite element analysis for eigenvalue problem of moderately thick plates

The buckling and free vibration problems of moderately thick plate are considered in this paper by using the hybrid/mixed finite element model. A modified Reissner principle which only requires C⁰ continuity is derived. No lockling phenomenon is observed. Linear interpolation is used for all independent unknown function. Finally a displacement generalized eigenvalue equation is obtained, in which the stiffness matrix is symmetric and positively definite. The calculated results show that the method proposed is simple, reliable and satisfactory.     

基于FE重构方法的冲击破碎仿真

提出了一种结合FE和SPH的3D冲击破碎问题仿真方法——FE重构法。通过立方体FE单元填充的方式对任意几何体进行离散,并建立粒子一形心重合模型,然后将用LS-dyna软件对粒子模型进行SPH撞击仿真;基于每一个步长的仿真结果,进行FE单元的重构,并结合失效准则进行失效分析,最终得到FE与SPH混合的仿真结果。针对超高速...     

三维声学特征频率灵敏度分析的边界元法

声系统特征频率的灵敏度分析为其优化设计提供了基础,具有重要意义。边界元法在声学问题的求解中具有独特优势,但因其系统方程系数矩阵的频率相关性导致的非线性特征值问题给声学特征频率的灵敏度分析带来了很大困难。为此,本文首先对非线性特征值问题进行了线性化处理,利用围道积分投影方法将非线性特征方程转换为小规模广义特征方程,然后对其关于设计变量直接求导,并引入左特征向量和转换矩阵构造了一种适用于内外声场的三维声学单/重特征频率灵敏度分析的边界元法。数值算例验证了该方法的适用性,以及对单/重特征频率灵敏度的计算精度。     

A comparative study on algorithms of boundary element solution for free torsional vibration of bodies of revolution

In this paper the functionu=rsin in cylindrical coordinates (r,,z) is introduced into the equation for free torsional vibration of bodies of revolution (where=v / r represents the angle of twist). With the static fundamental solution (–1 /R) a mixed BEM / FEM equation is derived. The domain integral term in the equation is discretized by Serendipity elements instead of commonly used constant value finite elements in the literature. The equation is an algebraic eigenvalue one. The dynamic fundamental solution (e ^1R /R) is also used for deriving the other mixed BEM / FEM equation. An appropriate iterative solution procedure is described. An algebraic eigenvalue equation can be obtained and its solution accuracy is almost interior meshing independent. A number of examples are studied. The results show the good economy and high accuracy of the algorithms proposed.The Project is Supported by National Natural Science Foundation of China.