运用机器学习方法设计原子链 人工边界条件

本文运用机器学习方法设计一维线性原子链的人工边界条件。该方法基于前馈神经网络,通过对一小部分数值解进行训练后得到人工边界条件。应用该法不需要较多先验知识,编程简单,实现速度快,算例表明数值反射较小。     

一种新的高阶弹簧-阻尼-质量边界——-无限域圆柱对称波动问题

提出一种描述力-位移时间卷积关系的高阶弹簧-阻尼-质量模型,并将其作为人工边界条件直接应用于弹性动力学无限域圆柱对称运动问题的时域数值求解. 该人工边界条件不存在旁轴近似、多次透射等位移型外推人工边界条件普遍存在的高、低频失稳问题;与黏性、黏弹性边界等应力型人工边界条件相比,它具有高阶精度,且是严格高、低频双渐近的,也可以退化到黏性、黏弹性边界;该边界可以像黏性、黏弹性边界一样利用商用有限元软件中内置的并联弹簧-阻尼器、质量单元和时间积分求解器在商用软件中方便地实现,便于研究人员和工程师应用. 分析的几个简单数值算例也验证了该边界条件的上述优点.      

多次透射公式在波动数值模拟中的一种实现方案

将一种常用的吸收边界条件─多次透射公式合并于紧接人工边界的内节点控制方程给出了该公式的一个新的实现方案.该方案较之原实现方案不仅收缩了计算区、改进了边界的模拟精度,而且揭示了该公式截断误差的阶数与大区域数值解之间的关系,阐明了提高吸收边界的精度阶对改进波动数值模拟精度的局限性.通过数值试验比较了新方案、原方案及Givoli-Neta吸收边界条件的在人工边界上的精度,结果表明前者优于后二者.     

弹性波混合差分解法的透射边界条件

文中将基于离散应力、速度混合变量弹性波方程的各种数值解法统称为混合差分法，该文研究这类解法中人工边界的透射边界条件。基于波动沿边界法向传播的特征量分析，给出了横观各向同性介质中复杂形状边界的透射条件。该文是一种局部透射条件，所需计算量极小。文中将此方法与交错网格差分解法结合并应用于横观各向同性介质弹性波计算。数值算例及反射系数分析表明，该方法很好地消除了人工边界对来波的反射。     

基于赫林格?赖斯纳变分原理的一致高效无网格本质边界条件施加方法

无网格法具有高阶连续光滑的形函数, 在结构分析中呈现出显著的精度优势. 但无网格形函数在节点处一般没有插值性, 导致伽辽金无网格法难以直接施加本质边界条件. 采用变分一致尼兹法施加边界条件的数值解具有良好的收敛性和稳定性, 因而得到了非常广泛的应用, 然而该方法仍然需要引入人工参数来保证算法的稳定性. 本文以赫林格?赖斯纳变分原理为基础, 建立了一种变分一致的本质边界条件施加方法. 该方法采用混合离散近似赫林格?赖斯纳变分原理弱形式中的位移和应力, 其中位移采用传统无网格形函数进行离散, 而应力则在背景积分单元中近似为相应阶次的多项式. 此时的无网格离散方程可视为一种新型的尼兹法施加本质边界条件, 其中修正变分项采用再生光滑梯度和无网格形函数进行混合离散, 稳定项则内嵌于赫林格?赖斯纳变分原理弱形式中, 无需额外增加稳定项, 消除了对人工参数的依赖性. 该方法无需计算复杂耗时的形函数导数, 并满足积分约束条件, 保证了数值求解的精度. 数值结果表明, 所提方法能够保证伽辽金无网格法的计算精度最优误差收敛率, 与传统的尼兹法相比明显提高了计算效率.      

透射边界高频失稳机理及其消除方法——SH波动

用有限元法求解近场波动问题,须选取人工边界条件以实现对无限域稳定、高效的数值模拟. 该文探讨了SH波导 有限元数值模拟中透射边界引发的高频失稳问题. 从离散模型出发,分析了内节点与人工边界节点运动方程频散曲线之间的匹配关系,揭示了高频失稳的一种机理,即二者相互耦合所 得计算方案支持自发从人工边界向计算区域内行进的高频波动. 提出通过调整内节点运动方程以改变这一匹配关系,从而消除失稳的措施. 理论分析与数值结果表明该措施能有效地消除高频振荡失稳.     

近场波动的数值模拟

本文评述了近年来波源（或散射体）及其邻域内波动数值模拟的主要研究结果，着重讨论了人工边界条件这一关键问题的研究进展     

波动问题中流体介质的动力人工边界

无限域流体介质的波动辐射效应是影响海域工程动力反应的重要因素,人工边界是实现此类开放系统近场波动问题数值分析的有效方法.基于位移格式的流体波动理论推导开放域流体介质的人工边界,分别给出一维、二维和三维空间中平面波、柱面波和球面波的流体介质动力人工边界条件,其中一维平面波动人工边界为经典的黏性边界,二维柱面波、三维球面波的人工边界处节点应力与节点速度和加速度成正比,可等效为由阻尼与质量系统构成的人工边界条件.讨论相应的数值模拟技术,给出流体介质动力人工边界在ANSYS软件平台的具体实现方法.近场流体介质动力反应问题的算例表明,所发展的流体动力人工边界对于轴对称波动与非轴对称波动在近场有限域截断处的透射吸收作用的模拟计算精度均较为良好,说明此流体介质人工边界具有较高的可靠性与实用性.所发展的流体介质动力人工边界可较为方便地与大型商用有限元软件结合,可为包括海域地形和海岛在内的海域工程的动力分析提供一定的方法借鉴.     

DYNAMICAL ARTIFICIAL BOUNDARY FOR FLUID MEDIUM IN WAVE MOTION PROBLEMS

无限域流体介质的波动辐射效应是影响海域工程动力反应的重要因素,人工边界是实现此类开放系统近场波动问题数值分析的有效方法.基于位移格式的流体波动理论推导开放域流体介质的人工边界,分别给出一维、二维和三维空间中平面波、柱面波和球面波的流体介质动力人工边界条件,其中一维平面波动人工边界为经典的黏性边界,二维柱面波、三维球面波的人工边界处节点应力与节点速度和加速度成正比,可等效为由阻尼与质量系统构成的人工边界条件.讨论相应的数值模拟技术,给出流体介质动力人工边界在ANSYS软件平台的具体实现方法.近场流体介质动力反应问题的算例表明,所发展的流体动力人工边界对于轴对称波动与非轴对称波动在近场有限域截断处的透射吸收作用的模拟计算精度均较为良好,说明此流体介质人工边界具有较高的可靠性与实用性.所发展的流体介质动力人工边界可较为方便地与大型商用有限元软件结合,可为包括海域地形和海岛在内的海域工程的动力分析提供一定的方法借鉴.     

通用有限元系统实现无限域波动仿真方法

在有限元模型中加入人工边界,可以进行无限域波动仿真。本文将介绍一种改进的Higdon人工边界,并通过适当的变换形式,将其在通用有限元软件上实现。最后通过数值实验验证了这种方法具有良好的稳定性和计算精度,并且实施简单方便,其他人工边界条件可参照本文方法,通过变换形式在通用有限元程序中实现。     

波传播计算中的人工边界条件

对无限介质中波传播进行有界区域近似计算时,需要提出人工边界条件.本文分别就连续介质和离散晶格简要介绍一些典型的人工边界条件,包括精确人工边界条件和局部人工边界条件.     

近场波动模拟的一种应力人工边界

采用平面波和远场散射波混合透射，引入无限介质线弹性本构关系建立了一种应力人工 边界条件. 其优点在于边界结点反应与内部有限元结点反应采用相同的积分格式计算，有限 元积分方法稳定时不存在人工边界失稳问题. 数值算例表明：边界精度高于现有黏性边 界、黏弹性人工边界，以及一、二阶透射人工边界.     

经典梁热过屈曲问题的解析解

基于非线性经典梁理论,建立了控制轴向和横向变形的基本方程,将两个非线性方程化简为一个关于横向挠度的四阶非线性积分-微分方程。对于本文所考虑的三类边界条件,该方程与相应的边界条件构成了微分特征值问题;直接求解该问题,得到热过屈曲构形的解析解,该解是外加热载荷的函数。为考察热载荷以及边界条件的影响,根据得到的解析解给出了一些数值算例,讨论了梁过屈曲行为的性质。本文得到的解析解可用于验证或改进各类近似理论和数值方法。     

平面波任意角度入射时波动散射问题输入的一种实现方法

对于半无限域中波动散射问题的数值分析,人工边界条件的实现及波动输入是其中的关键问题之一。在波动输入的自由场分析中,以往研究大多考虑垂直入射或入射方向平行于含纵坐标轴的某一坐标面,难以真实地反映地震动的真三维效应,局限了其应用范围。论文文考虑空间任一角度入射的平面波,通过传递矩阵方法和坐标系变换,得到三维空间的自由场,结合集中质量显式有限元方法,实现了透射边界和粘弹性人工边界的波动输入以及三维波动散射的数值模拟,通过自编的程序及算例,验证了该方法的有效性,对比分析了空间入射角度对波动散射的影响。     

考虑内部胞元能量等效的代表体元法

具有周期性胞元的超轻质材料在制造和应用过程中,不可避免地会出现基体材料、微结构拓扑和尺寸的随机性变化.此时,评价材料的等效弹性性能需要借助基于均匀化方法(周期性边界条件)或代表体元法(周期性边界条件,均匀应力或均匀应变边界条件等)的蒙特卡洛模拟.该文首先通过算例分析和比较了不同边界条件下的数值结果,讨论了结果的尺度效应和对胞元选取的依赖性.为了提高和改善Dirichlet边界条件下的计算效率和结果,提出了一种考虑内部胞元能量等效的代表体元法.该方法能够有效削弱边界条件和胞元选取的影响,从而实现了采用较小的代表体元得到更好的结果.数值算例验证了方法在预测确定性材料和随机性材料等效模量时的有效性.     

使用时间插值的特征线法在光滑粒子法拉氏边界条件中的应用

在计算流体动力学的实际应用中无反射边界条件是一个重要的研究课题. 文中应用时间插值的特征线方法构造了一种新式的拉氏边界条件,并应用在光滑粒子法中. 该方法与使用特征线方法的欧拉边界条件方法相比,不需要区分超声速和亚声速流的不同,并且在入流和出流中具有相同的形式,因而更加简便易行. 数值结果表明,采用时间插值特征线法的拉氏边界条件方法在稀疏波、激波以及爆轰波的模拟中都能够得到较好的无反射效果.      

基于整体位移模式的平面裂纹结构数值模拟方法

对于平面裂纹问题,针对扩展有限元法和无网格伽辽金法的不足,从结构的整体位移模式出发,提出了一种新的数值模拟方法。在整个求解域内构造其试探函数,并引入裂纹修正项描述裂尖处的奇异性和裂纹面的强间断特性;同时,提出了一种新的强制边界条件施加方法,通过引入位移边界水平集函数,将位移边界条件包含在近似位移场的表达式中,有效地解决了位移边界条件问题,减小了刚度矩阵的阶数,非常方便地消除了刚度矩阵的奇异性,降低了线性方程组的求解难度。含裂纹矩形平板结构的数值算例验证了该方法的有效性。     

基于局部移动Kriging无网格方法的层合板自由振动分析

利用基于局部移动Kriging插值无网格法对层合板自由振动进行了数值分析,基于一阶剪切层合理论导出了层合板振动的控制方程和边界条件,进一步得到了自由振动的离散化特征方程。由于Kriging插值函数具有Kronecker delta函数性质,可以直接施加本质边界条件。通过本文给出的方法,对不同边界条件、不同跨厚比、不同材料参数和铺设角度的层合板的振动频率进行了计算,均得到满意结果。最后用该方法对层合板的铺设角度进行优化设计,得到了与已有文献完全一致的优化结果。数值结果充分表明了无网格Kriging方法分析层合板自由振动问题的有效性和高精确度。     

透射边界条件在波动谱元模拟中的实现:一维波动

多次透射公式(multi-transmitting formula,MTF)是一种具有普适性的局部人工边界条件,但其在近场波动数值模拟中一般与有限元法结合.由于波动谱元模拟的数值格式与有限元格式有极大的不同,传统的MTF在谱元离散格式中无法直接实现.为了使物理概念清楚、精度可控的多次透射人工边界条件能够适应波动谱元模拟的需求,首先指出多次透射边界与谱元离散格式结合的基本问题,并分析了空间内插和时间内插两种方案的可行性.然后从空间内插角度出发,提出基于拉格朗日多项式插值模式的MTF谱元格式,并采用一种简单内插方法实现高阶MTF.最后通过一维波动数值试验检验这些MTF谱元格式的精度,并讨论其数值稳定性.结果表明:对于一、二阶MTF,几种格式的精度相当;对于三、四阶MTF,基于谱单元位移模式插值的格式精度最高.相反,随着插值多项式阶次的升高,不同MTF格式的稳定临界值逐步降低,但是所有格式均在人工波速大大超过物理波速时才可能发生失稳.     

基于整体位移模式的平面孔洞结构数值模拟方法

针对平面孔洞问题提出了一种新的数值模拟方法。本文通过水平集方法引入孔洞边界、力边界和位移边界水平集函数,利用边界水平集函数来构造边界试探项,将试探空间表示为二元幂级数与边界试探项的线性组合;同时提出一种基于水平集方法的位移边界条件施加方法,利用位移边界水平集函数来构造满足位移边界条件的近似位移场,并给出了相应的刚度矩阵和载荷矩阵表达式。与FEM、XFEM、无网格法等方法相比,该方法无需将求解域离散,具有较低的计算成本、特性良好的刚度矩阵和较为广泛的适用性。数值算例验证了该方法的有效性。