基于三角网格的四阶Hermite型对流守恒格式

提出一种基于三角网格的求解双曲对流方程的高阶守恒型格式.该格式首先在每个三角单元上重构二元三次Hermite插值多项式,以当前时刻单元节点处解的函数值、一阶空间导数值和该单元的积分平均值为插值条件.然后,利用Semi-Lagrange方法得到单元节点处的下一时刻解的函数值及导数值,而下一时刻的解的单元积分平均值由有限体积方法得到.本文所提出的格式将原始CIP方法从结构网格推广到非结构网格上,使得CIP方法能灵活地用于处理复杂边界问题.该格式为显式紧致格式,计算简单且易于实现.数值实验表明,该格式对于光滑解问题能达到四阶空间精度,而对于非光滑解问题能准确地捕捉激波的位置,改进了原始CIP格式的不守恒性.     

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。     

基于对偶变量变分原理和两端位移独立变量的保辛方法

将广义位移和动量同时用拉格朗日多项式近似,并选择积分区间两端位移为独立变量,然后基于对偶变量变分原理导出了哈密顿系统的离散正则变换和对应的数值积分保辛算法。当位移和动量的拉格朗日多项式近似阶数满足一定条件时,可以自然导出保辛算法的不动点格式。通过数值算例分析了位移和动量采用不同阶次插值所需最少Gauss积分点个数,并讨论了位移插值阶数、动量插值阶数以及Gauss积分点个数对保辛算法精度的影响,说明了上述不动点格式恰好是一种最优格式。     

圆锥壳结构自振特性的多项式解

本文研究了圆锥壳结构自振特性的多项式解。文中利用Hamilton原理,采用Love薄壳简化假设,设位移为不受边界条件限制的多项式解,通过求解能量法的特征方程得到结构的自然频率。文中给出了数值算例。与有限元模拟得到的结果比较,吻合得非常好。     

配点型广义节点无网格法的基本原理及其应用

借鉴流形方法思想,引入广义节点的概念,对传统的无网格法进行了改进,建立了可具有任意高阶多项式插值函数的广义节点无网格方法。同时采用径向插值函数构造具有插值特性的逼近函数;采用配点法建立系统的离散方程。在阐述了这种方法基本原理的同时,针对线弹性力学问题给出了这种方法的数值计算列式。与传统无网格方法相比,这种方法更具有一般性;同时由于采用了配点法而不需要背景积分网格,所以可以认为这种方法是某种真正意义上的无网格法。当选取0阶广义节点位移插值函数时便可得到传统的无网格法;在不增加支持域内节点数目的条件下,通过选取高阶广义节点位移插值函数可以提高计算精度。最后通过算例分析,对0阶、1阶及2阶广义节点无网格法与现有的有关解答进行了对比,论证了其合理性。     

一种区间B样条小波平板壳单元及应用

基于二维张量积区间B样条小波,构造了一种件能良好的小波平板壳单元．在小波单元的构造过程中,用二维区间B样条小波尺度函数取代传统多项式插值,在所构造的区间B样条平面弹性单元和平面Mindlin板单元的基础上组合而成．区间B样条小波单元同时具有B样条函数数值逼近精度高和多种用于结构分析的基函数的特点．数值算例表明：与传统有限元和解析解相比,构造的小波平板壳单元具有求解精度高,单元数量和自由度少等优点．     

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.     

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。     

含面内转动自由度的广义协调曲面矩形扁壳元

扁壳单元中引入结点转角自由度可以在不增加结点的情况下,增加位移场的阶次,提高计算精度,从而显著地提高单元性能。同时在单元中引入泡状位移场,能有效地扩大了单元位移场的解空间,所构造的单元具有计算精度高、对计算网格畸变不敏感的优良特性。本文利用广义协调薄板单元RGC-12的位移函数作为扁壳元的法向位移,利广义协调矩形膜元的位移函数作为扁壳面的切向位移,通过附加面内转动自由度构造了一个具有24个自由度的4结点广义协调曲面矩形扁壳元GRC-S24。在此基础上再增加一个广义泡状位移,又构造了一个具有更高计算精度的曲面矩形扁壳元GRC-S24M。并通过实例分析对这两个单元的收敛性和精度进行了验证。     

流体力学两种格式能量守恒比较

Lagrange系统下的非定常流体力学数值方法中，使用非守恒型能量方程获得的总能量(内能与动能之和)的误差大小是鉴别一种格式好坏的重要标志之一．讨论在校坐标系下两种有限元方法的离散格式及其能量守恒性．一种是采用由因子γ^-1来加权插值基函数的Galerkin有限元方法，即面平均格式；另一种是直接加权插值基函数的Galerkin有限元方法，即体平均格式．误差分析表明体平均格式具有较小的能量守恒误差，数值计算结果也显示出体平均格式能量守恒误差比面平均格式明显小．     

C1连续型广义有限元格式

C$^{1}$连续,即一阶导数连续.C$^{1}$连续型插值格式具有同时适用于离散PDE的弱形式与强形式的优点--即一种插值格式可以在使用PDE弱形式还是强形式之间做出选择,从而构造出更加高效的数值方法.由于单位分解广义有限元方法 (PUFEM, Babu${\check{ s}}$ka andMelenk(1997)),允许用户根据局部解的特征自定义任意高阶局部近似,具有精度高、程序实现与传统有限元相容性好的特点而受到广泛关注.但是,其总体近似函数的光滑性是由其所采用的单位分解函数--一般为标准有限元形函数--的光滑性所决定,因此多为C$^{0}$连续.如何在C$^{0}$连续标准有限元形函数的基础上,构造出满足C$^{1}$连续的总体近似函数,是一个仍未解决的问题.本文在作者前期研究的无额外自由度的单位分解插值格式的基础上,仅基于C$^{0}$标准有限元形函数,构造出至少C$^{1}$连续的无额外自由度单位分解格式.针对Poisson方程,讨论了该格式对PDE弱形式与强形式的离散.测试结果表明,方法可以同时用于弱形式与强形式的数值求解,而且可以在不改变网格和自由度数的前提下,获得高阶收敛.使用该插值格式的条件是:网格须是直角坐标网格(不要求均匀).该插值格式可以同时用于流体力学问题和使用欧拉背景网格求解动量方程的固体力学方法,如材料物质点法(materialpoint method).对于强形式的欧拉网格求解,该插值格式与"差分"不同之处在于,它具有有限元一样的在任意点处进行"插值"的特点.对于弱形式的积分求解,由于该插值格式具有导数连续性,可以允许积分网格独立于插值网格.这一特点将使得弱形式的数值积分的实施更加灵活方便.      

复合材料层合圆柱壳的有限元分析

本文根据Reissner-Mindlin型的全局位移场(一阶和三阶)，应用有限元预测一修正法，数值计算和分析了机械载荷作用下复合材料层合圆柱壳的挠度和横向剪应力。首先按照一般的有限元分析过程(没有引入剪切修正系数)计算出层合圆柱壳的挠度预测值；然后利用Lagrange插值构造横向剪应力的一般形式，使得满足层间连续和表面上为零的条件，通过最小二乘法拟合三维应力平衡方程获得横向剪应力；最后在单元上计算和引入剪切修正系数，再经过有限元分析计算出层合圆柱壳的挠度修正值。数值计算结果与三维线弹性解的比较表明，挠度修正值和横向剪应力的精度是十分满意的。     

求解双曲型守恒律的半离散中心差分格式

给出了一种求解双曲型守恒律的三阶半离散中心差分格式。该格式以一种推广的三阶重构为基础,同时考虑了波传播的局部速度。格式的构造方法是利用重构,先计算非一致交错网格上的均值,再将该网格均值投影回原来的非交错网格,得到新的全离散中心差分格式,该格式有半离散形式。本文半离散格式保持了中心差分格式简单的优点,即不需用R iemann解算器,避免了进行特征解耦。它具有守恒形式,数值通量满足相容性条件。数值试验结果表明该格式是高精度、高分辨率的。     

高层筒体结构整体稳定及二阶位移分析的改进条元法

根据柱壳理论,构造了一种柱壳曲条,本文结合柱壳曲条和平壳条元求解高层筒体结构的整体稳定及二阶位移。采用三次H erm ite插值函数模拟条元横截面的翘曲位移变化,能较好地反映筒体受力“剪切滞后”效应;采用一族能较好地逼近弯剪型变形曲线的正交多项式作基函数来描述位移沿竖向变化。用最小势能原理建立稳定及二阶位移分析方程。该方法适用于任意平面形状的高层建筑筒体结构及剪力墙结构的稳定及二阶位移分析。与其它方法相比,该方法具有精度高、通用性强、计算量小等优点。     

板壳弹塑性分析的加权残数法

本文采用双五次B一样条函数为位移试函数,由最小二乘配点法导出了板和双曲扁壳弹塑性分析的增量形式的基本计算公式,然后用变步长增量加载和初应力法求解,用一系列弹性解的总和来逼近准确解。文中给出了若干算例,计算表明:该法收敛稳定,敛速快,精度高,同时输入数据极少,比有限元法简便、经济、高效,且可以在微机上实现。     

基于区域分解的环肋圆柱壳-圆锥壳组合结构振动分析

提出了一种区域分解法来分析不同边界条件下环肋骨圆柱壳-圆锥壳组合结构的振动特性.首先把组合壳体分解为自由的圆柱壳、圆锥壳段;视环肋骨为离散元件,根据肋骨与圆柱壳段之间的变形协调条件,将肋骨的动能和应变能附加于圆柱壳段能量泛函中.然后基于分区广义变分和最小二乘加权残值法将所有分区界面的位移协调方程引入到组合壳体的能量泛函中.圆柱壳段、圆锥壳段位移变量的周向和轴向分量分别采用Fourier级数和Chebyshev多项式展开.以自由-自由、自由-固支和固支-固支边界条件的环肋骨组合壳体为例,采用区域分解法分析了其自由振动及在不同激励下的振动响应.通过与有限元软件ANSYS结果进行对比,发现两种方法计算结果非常吻合,验证了区域分解方法的计算精度和高效性.     

基于渐近传递函数解的截锥壳单元

普通截锥壳单元是分析旋转壳结构的常用单元,但应力计算的精度较差;而渐近传递函数解在圆锥壳的应力分析方面具有很高的计算精度。本文针对一般截锥壳单元应力计算精度不高的缺点,将传递函数法与有限元法进行结合,以圆锥壳的渐近传递函数解为插值函数,直接构造了一种高精度的截锥壳单元,该单元位移插值模式满足相容性和完备性要求,并具有力学概念清楚、计算精度高等特点。数值算例表明,采用该单元进行圆锥壳的内力和自由振动     

弹性薄板的广义多维微分求积分析方法

多维微分求积DC(differential cubature)法是近年迅速发展起来的一种处理多维微分方程的高精度数值方法。本文围绕多元函数插值适定性这一基本问题,探讨了实现DC法时插值结点组和插值空间应满足的条件,研究了离散结点组选择及其构造适定试函数的方法。提出了一种沿各坐标方向可以布置不同数量结点的广义交错网格DC方法,并给出了确定相应的插值空间及其选择试函数的具体方案。通过弹性薄板变形分析研究了广义交错网格DC法解决实际结构力学问题的可靠性及其潜力。研究结果表明,广义交错网格DC法较传统的交错网格DC格式具有更强的适用性和灵活性,采用数量少得多的离散结点即可达到传统交错网格DC法相同的数值精度,表现出精度高和计算工作量小的优点。     

基于制造解的非结构二阶有限体积离散格式的精度测试与验证

随着计算机技术的飞速进步,计算流体力学得到迅猛发展,数值计算虽能够快速得到离散结果,但是数值结果的正确性与精度则需要通过严谨的方法来进行验证和确认.制造解方法和网格收敛性研究作为验证与确认的重要手段已经广泛应用于计算流体力学代码验证、精度分析、边界条件验证等方面.本文在实现标量制造解和分量制造解方法的基础上,通过将制造解方法精度测试结果与经典精确解(二维无黏等熵涡)精度测试结果进行对比,进一步证实了制造解精度测试方法的有效性,并将两种制造解方法应用于非结构网格二阶精度有限体积离散格式的精度测试与验证,对各种常用的梯度重构方法、对流通量格式、扩散通量格式进行了网格收敛性精度测试.结果显示,基于Green-Gauss公式的梯度重构方法在不规则网格上会出现精度降阶的情况,导致流动模拟精度严重下降,而基于最小二乘(least squares)的梯度重构方法对网格是否规则并不敏感.对流通量格式的精度测试显示,所测试的各种对流通量格式均能达到二阶精度,且各方法精度几乎相同;而扩散通量离散中界面梯度求解方法的选择对流动模拟精度有显著影响.     

一类格心型ALE有限体积格式方法

现在国内外流行的ALE有限体积格式基本上都基于交错网榕进行格式的离散.该类格武在进行重映时,速度、密度和能量需要分别进行重映计算,效率较低,而且由于速度在网格角点.而密度、能量在网格中心,重映时会出现动能和内能不协调现泉.本文在巳有格心型Lagrange有限体积格式研究的基础上,结合Abgrall R.等关于榕心型格式下的网格角点速度的计算方法,利用最小二乘法进行高阶插值多项式重构,构造了一类新的格心型的高精度Lagrangian有限体积格式,并结合有效的高精度ENO守恒重映方法,获得了一类格心型的高精度ALE有限体积格式.数值试验的结果说明本文的格式是有效的,高精度的,收敛的,并且避免了物理量的不协调现象.