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。     

比例边界等几何分析方法Ⅰ:波导本征问题

提出比例边界等几何方法 (scaled boundary isogeometric analysis, SBIGA), 并用以求解波导本征值问题. 在比例边界等几何坐标变换的基础上, 利用加权余量法将控制偏微分方程进行离散处理, 半弱化为关于边界控制点变量的二阶常微分方程, 即 TE 波或 TM 波波导的比例边界等几何分析的频域方程以及波导动刚度方程, 同时利用连分式求解波导动刚度矩阵. 通过引入辅助变量进一步得出波导本征方程. 该方法只需在求解域的边界上进行等几何离散, 使问题降低一维, 计算工作量大为节约, 并且由于边界的等几何离散, 使得解的精度更高, 进一步节省求解自由度. 以矩形和 L 形波导的本征问题分析为例, 通过与解析解和其他数值方法比较, 结果表明该方法具有精度高、计算工作量小的优点.     

摩擦接触问题的比例边界等几何B可微方程组方法

摩擦接触问题是计算力学领域最具挑战性的问题之一,接触系统的泛函具有非线性、非光滑的特点,导致接触算法的收敛性与精确性难以保证.因此将比例边界等几何分析(scaled boundary isogeometric analysis,SBIGA)与B可微方程组(B dierential equation,BDE)相结合,提出了求解二维摩擦接触问题的比例边界等几何B可微方程组方法.在比例边界等几何坐标变换的基础上,通过虚功原理推导了关于边界控制点变量的接触平衡方程,表示成B可微方程组形式的接触条件可被严格满足,求解B可微方程组的算法的收敛性有理论保证.此比例边界等几何B可微方程组方法(SBIGA-BDE)只需在接触体边界进行等几何离散,使问题降低一维,能精确描述接触边界,并可通过节点插入算法进行真实接触区域的识别.此外,由于几何建模和数值分析使用相同的基函数,节约了划分网格的时间.以赫兹接触问题和悬臂梁摩擦接触问题为例,通过与解析解及数值计算软件ANSYS计算结果进行对比,验证了该方法求解二维摩擦接触问题的有效性及高精度等特点.      

基于非重叠Mortar方法的比例边界等几何分析

在比例边界等几何分析的建模剖分过程中会出现交界面网格非匹配现象,给计算分析带来困难。为了能够处理此类问题,提出了基于非重叠Mortar方法的比例边界等几何分析。该方法能在将全域分解为若干子域时,针对每个子域分别建模和剖分网格,交界面网格无需逐点匹配;采用交叉点修正的非均匀有理B-样条基函数构造Lagrange乘子空间,子域交界面连续条件可通过Mortar条件满足;并根据交界面连续条件进行自由度凝聚,得到对称正定的系数矩阵,可直接求解。分片试验、U形结构和半无限空间上的柔性基础等数值算例验证了本文方法的有效性,计算精度满足要求。     

三维势流场的比例边界有限元求解方法

比例边界有限元法(SBFEM)是线性偏微分方程的一种新的数值求解方法。该方法只对计算域边界利用Galerkin方法进行数值离散,相对于有限元方法(FEM)减少了一个空间坐标的维数,而在减少的空间坐标方向利用解析方法进行求解;相对于边界元法(BEM),比例边界有限元方法不需要基本解,避免了奇异积分的计算,所以它结合了有限元和边界元方法的优点。本文建立了利用比例边界有限元法求解三维Laplace方程的数值模型并用于计算三维物体周围的水流场,将计算结果与解析解和边界元方法进行了对比,结果表明此方法可以很好地模拟水流场,且具有较高的计算精度。     

基于等几何分析的边界元法求解二维Laplace方程

针对二维Laplace问题,提出了基于非均匀有理B样条的等几何边界单元法(IGABEM),并利用径向积分法来处理奇异积分。该方法实现了几何与求解域的无缝融合,不仅实现了求解域与几何的完美匹配,而且节约了前处理时间。该方法可以很容易地实现模型的细分,并且在仅增加少量自由度的情况下获得更高的精度。数值算例表明,该方法能够有效地求解二维Laplace方程,且具有非常好的计算精度。     

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。     

基于等几何分析的结构优化设计研究进展

结构等几何分析是计算固体力学领域一种新兴的数值方法,致力于将CAD（计算机辅助设计）和CAE（计算机辅助工程）纳入到统一的数学表达框架。等几何分析紧密联系几何信息,采用相同的数学表达将几何精确建模、结构分析和设计过程结合,为结构优化设计提供了新的选择和机会。相比基于有限元的结构优化方法,等几何优化设计方法可在一定程度上提高结构优化的精度、效率和便利性。本文针对具有代表性的结构等几何优化设计,包括形状优化、尺寸优化和拓扑优化等问题,系统梳理和综述了主要的等几何优化方法及其在结构优化设计中的应用。比较分析和评述了结构等几何优化设计方法的算法特点及计算优势与劣势,探讨了基于等几何分析的结构优化研究的前沿问题,并展望了未来的发展方向,包括：基于复杂剪裁CAD几何的高效等几何分析与优化设计、基于实体几何构造的结构等几何分析和优化设计、等几何分析与其他力学分析方法结合的结构优化、基于等几何分析的壳体优化设计、基于等几何分析的材料和结构一体化优化设计以及考虑不确定性的结构等几何优化设计等。     

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.     

短峰波与双层开孔圆筒柱相互作用的数值分析

应用比例边界有限元法（SBFEM）研究了短峰波与双层开孔圆筒柱相互作用。该方法将整个计算域划分成两个有限子域和1个无限子域,利用SBFEM使空间维数降低一阶,并在降维方向保持解析的特点,只需对求解域外圆柱边界进行离散。通过比例坐标与直角坐标之间的转换,并利用变分原理推导了各个子域的SBFEM方程。然后,SBFEM针对有限域和无限域分别采用贝塞尔函数和汉克尔函数作为基函数来求解对应域的解,并将计算结果与解析解进行比较,验证了该方法是一种用很少单元便能得到精确结果的高效方法。进一步研究了诸如相对波数ka、内外柱半径比a/b和内外壁孔隙影响系数G等对双层开孔圆筒柱结构所受波浪荷载、结构内外侧波浪爬升及绕射波轮廓的影响。为双层开孔圆筒柱水动力分析和结构设计提供了有价值的参考。     

基于有限断裂法和比例边界有限元法的裂纹扩展模拟

基于有限断裂法和比例边界有限元法提出了一种裂缝开裂过程模拟的数值模型。采用基于有限断裂法的混合断裂准则作为起裂及扩展的判断标准,当最大环向应力和能量释放率同时达到其临界值时,裂缝扩展。结合多边形比例边界有限元法,可以半解析地求解裂尖区域附近的应力场和位移场,在裂尖附近无需富集即可获得高精度的解。计算能量释放率时,只需将裂尖多边形内的裂尖位置局部调整,无需改变整体网格的分布,网格重剖分的工作量降至最少。裂缝扩展步长通过混合断裂准则确定,避免了人为假设的随意性,并可以实现裂缝变步长扩展的模拟,更符合实际情况。通过对四点剪切梁的复合型裂缝扩展过程的模拟,对本文模型进行了验证,并应用于重力坝模型的裂缝扩展模拟,计算结果表明,本文提出的模型简单易行且精度较高。     

DUAL RECIPROCITY HYBRID BOUNDARY NODE METHOD FOR THREE-DIMENSIONAL ELASTICITY WITH BODY FORCE

Combining Dual Reciprocity Method （DRM） with Hybrid Boundary Node Method （HBNM）, the Dual Reciprocity Hybrid Boundary Node Method （DRHBNM） is developed for three-dimensional linear elasticity problems with body force. This method can be used to solve the elasticity problems with body force without domain integral, which is inevitable by HBNM. To demonstrate the versatility and the fast convergence of this method, some numerical examples of 3-D elasticity problems with body forces are examined. The computational results show that the present method is effective and can be widely applied in solving practical engineering problems.     

波导本征问题分析的比例边界有限元方法

引入了一种求解波导本征值问题的高效而精确算法-比例边界有限元方法SBFEM (Scaled Boundary Finite Element Method).该方法的一个特点是只需在边界上进行离散,问题降低一维,使计算工作量大大减少;另一特点是所建立的控制方程为二阶常微分方程,可以解析地求解,使计算精度得到了保证.论文利用变分原理并通过比例边界坐标变换,推导了TE波和TM波波导的比例边界有限元频域方程以及波导动剐度方程,同时给出了波导动刚度矩阵的连分式解形式,通过引入辅助变量进一步得出波导特征值方程并求出波导本征值.以矩形、L形波导和叶型加载矩形波导的本征问题分析为例,通过与解析解及其他数值方法比较,结果表明,此方法具有精度高、计算工作量小的优点,而且随着连分式阶数增加收敛速度快.进一步分析了一类角切四脊正方形波导的传输特性.     

On the numerical convergence and performance of different spatial discretization techniques for transient elastodynamic wave propagation problems

We present a systematic investigation of several discretization approaches for transient elastodynamic wave propagation problems. This comparison includes a Finite Difference, a Finite Volume, a Finite Element, a Spectral Element and the Scaled Boundary Finite Element Method. Numerical examples are given for simple geometries with normalized parameters, for heterogeneous materials as well as for structures with arbitrarily shaped material interfaces. General conclusions regarding the accuracy of the methods are presented. Based on the essential numerical examples an expansion of the results to a wide range of problems and thus to numerous fields of application is possible.     

A reined global-local approach for evaluation of singular stress ield based on scaled boundary inite element method

A reined global-local approach based on the scaled boundary inite element method(SBFEM) is proposed to improve the accuracy of predicted singular stress ield. The proposed approach is carried out in conjunction with two steps. First, the entire structure is analyzed by employing an arbitrary numerical method. Then, the interested region, which contains stress singularity, is re-solved using the SBFEM by placing the scaling center right at the singular stress point with the boundary conditions evaluated from the irst step imposed along the whole boundary including the side-faces. Beneiting from the semi-analytical nature of the SBFEM, the singular stress ield can be predicted accurately without highly reined meshes. It provides the FEM or other numerical methods with a rather simple and convenient way to improve the accuracy of stress analysis. Numerical examples validate the effectiveness of the proposed approach in dealing with various kinds of problems.     

A structural shape optimization system using the two-dimensional boundary contour method

Summary The research recently conducted has demonstrated that the Boundary Contour Method (BCM) is very competitive with the Boundary Element Method (BEM) in linear elasticity Design Sensitivity Analysis (DSA). Design Sensitivity Coefficients (DSCs), required by numerical optimization methods, can be efficiently and accurately obtained by two different approaches using the two-dimensional (2-D) BCM as presented in Refs. [1] and [2]. These approaches originate from the Boundary Integral Equation (BIE). As discussed in [2], the DSCs given by both BIE-based DSA approaches are identical, and thus the users can choose either of them in their applications. In order to show the advantages of this class of DSA in structural shape optimization, an efficient system is developed in which the BCM as well as a BIE-based DSA approach are coupled with a mathematical programming algorithm to solve optimal shape design problems. Numerical examples are presented. Received 20 July 1998; accepted for publication 7 December 1998     

A semi-analytical method with a system of decoupled ordinary differential equations for three-dimensional elastostatic problems

In this paper, a new semi-analytical method is presented for modeling of three-dimensional (3D) elastostatic problems. For this purpose, the domain boundary of the problem is discretized by specific subparametric elements, in which higher-order Chebyshev mapping functions as well as special shape functions are used. For the shape functions, the property of Kronecker Delta is satisfied for displacement function and its derivatives, simultaneously. Furthermore, the first derivatives of shape functions are assigned to zero at any given node. Employing the weighted residual method and implementing Clenshaw–Curtis quadrature, coefficient matrices of equations’ system are converted into diagonal ones, which results in a set of decoupled ordinary differential equations for solving the whole system. In other words, the governing differential equation for each degree of freedom (DOF) becomes independent from other DOFs of the domain. To evaluate the efficiency and accuracy of the proposed method, which is called Decoupled Scaled Boundary Finite Element Method (DSBFEM), four benchmark problems of 3D elastostatics are examined using a few numbers of DOFs. The numerical results of the DSBFEM present very good agreement with the results of available analytical solutions.     

基于Hamilton体系的弹性力学问题的比例边界有限元方法

比例边界有限元方法是求解偏微分方程的一种半解析半数值解法。对于弹性力学问题,可采用基于力学相似性、基于比例坐标相似变换的加权余量法和虚功原理得到以位移为未知量的系统控制方程,属于Lagrange体系。但在求解时,又引入了表面力为未知量,控制方程属于Hamilton体系。因而,本文提出在比例边界有限元离散方法的基础上,利...