动力时程分析时间步预判方法及其有效性验证

在计算量大的工程数值计算中,为了使计算精度保持一致,尽可能的节省计算成本,提高计算效率,在动力时程分析过程中,针对由时域离散产生的误差,本文建立了相对误差与时间步长之间的关系式,通过自动调整时间步长,实现了时间步长的预判。本文方法不同于后验式时间自适应方法,是在先验式时间自适应研究领域方面的一次大胆尝试,丰富了时间自适应理论研究。同时,选取具有解析解的算例验证了该方法在提高计算效率方面的有效性,与传统时域离散方法Newmark-β法相比较,在保证两者计算精度一致的前提下,该方法十分显著地节省了计算时间,有效地提高了计算效率,这在工程数值计算中具有重要意义。     

硬球加强模型在CFD-DEM耦合计算中的验证与分析

针对CFD-DEM耦合计算中,颗粒计算时间步的选取影响颗粒碰撞计算精度和效率的问题。本文引入插值算法,将动量定理求解颗粒碰撞前后速度进行加权平均;根据弹性理论计算得到颗粒碰撞力,进行动力学方程求解;通过速度收敛准则修正初值速度并自动调整迭代求解次数,提出一种计算精度不受计算时间步长影响,无需对碰撞过程进行精细描述的高效率和高精度的加强硬球模型。对两个颗粒匀和变速碰撞算例进行数值模拟,碰撞后速度、碰撞力和碰撞时间与理论计算误差小于4%,与采用软球碰撞模型的DEM方法相比,颗粒碰撞计算精度不受计算时间步长影响,计算效率提高36.3%和36.8%。对单个颗粒在静水中沉降进行数值模拟,计算步长取10 s～5 s,颗粒与壁面即可得到精确解,计算效率提高33.5%。通过压力损失实验验证了该模型能够准确计算颗粒体积分数小于12%条件下两相流的压力损失。     

弹塑性有限元增量分析的自动选择步长和用予测本步刚度阵求解

本文利用本步刚度参数(current stiffness parameter)概念,对改进弹塑性有限元增量分析的效率和精度提出了两个具体措施。 1.自动选择每个增量步的步长,可在保证精度的前提下大量缩减总的增量步数,并有效地解决了计算结构极限载荷的问题。 2.用予测获得的本步刚度阵代替现行的起点切线刚度阵求解本步载荷增量,可大量缩减每个步长的迭代次数,提高收敛速度。     

非线性度对修正双步长显式法及常用逐步积分法的影响

为了掌握非线性度对逐步积分法的影响,研究了几种积分算法在不同非线性度振动系统中的响应。通过3个典型非线性算例,对修正双步长显式法、蛙跳式中心差分法、Newmark法、广义α法和精细积分法的计算精度和稳定性能等进行了比较。结果表明:非线性度对广义α法、精细积分法和Newmark法的稳定性有影响;高非线性度对Newmark法的计算稳定性影响最大;时间步长越小,算法精度和计算量越高;相同小步长情况下,精细积分法的精度最高,而修正双步长显式法的计算量最小;在时间步长较大时,低非线性度会引起精细积分法不稳定,修正双步长显式法的精度最高,修正双步长显式法在非线性系统中具有很强的鲁棒性。     

污染扩散方程高精度紧致格式及其稳定性分析

针对污染扩散方程提出了时间任意阶精度的显式格式,并对该格式的稳定性和精度进行了分析,理论结果表明:一阶精度的计算格式是传统的显格式,其稳定条件为:s≤1/2(s=D.Δt/Δx2,D为扩散系数,Δt为时间步长,Δx为空间步长),随着保留精度阶数的增加,稳定性范围也会随之增大;当保留无穷阶精度时,格式是无条件稳定的。这也就从一个侧面揭示了稳定性与时间精度之间的关系,为高性能数值计算格式的构思提供了可以借鉴的原则。数值算例的结果表明,本文格式具有一定的实用性。     

黏塑性本构计算的稳定性分析

提出本构方程计算方法的稳定性问题,针对黏塑性本构计算的显式精确算法的稳定性进行分析,发现该算法并非无条件稳定,使用小扰动方法给出了其计算稳定的必要条件,稳定性条件对数值计算中的时间步长提出限制要求。通过有限元算例验证了分析的正确性,计算结果也表明理论推导得到的稳定性公式能够准确预测满足计算稳定性条件要求的最大时间步长与各参数之间关系。     

非流线体分离流动态载荷的数值模拟方法研究

以圆柱绕流为研究对象,针对圆形边界,采用O型网格对流场进行离散,用二阶精度的中心差分有限体积法作空间离散,用二阶精度的中心差分处理时间问题,用双时间方法求解了二维非定常Navier-Stokes方程,系统研究了计算方法对收敛精度、时间步长和网格数量的依赖性.计算结果表明,对于长时间历程的非定常问题,虽然双时间方法收敛性很好,但对于分离流而言,时间步长的选取并非没有限制;每一步伪时间的推进中,收敛精度也有要求;而要模拟圆柱分离流的非线性气动力现象,计算网格至少要达到260×80的数量.     

移动简谐荷载作用下桥梁响应的高效计算

在计算移动荷载过桥问题中广泛使用的Newmark方法必须在每一时间步内限制荷载的大小和作用位置都不能改变。精细积分法虽然允许荷载的大小在每一时间步长内发生变化,但是仍假定其作用位置是不变的,未能采取措施以描述荷载沿着桥面的连续移动性。本文提出三种精细积分格式,在每一时间步内不但允许移动荷载的大小按简谐规律连续变化,而且模拟了简谐荷载在空间域的连续移动。通过与Newmark方法和简单问题的解析解进行数值比较,表明用本文提出的方法可以用较粗的结构单元和较大的时间步长而获得很高的计算精度。在精度相同的前提下,计算效率比Newmark方法可提高1~2个数量级。     

一种结构可靠性指标的搜索方法

提出了一种计算结构可靠性指标的搜索方法,即自动变步长搜索方法。该方法克服一次二阶矩方法的缺点,对于非线性功能函数非常有效。数值例题表明：这种方法具有很好的收敛性和较高的计算精度,且其收敛性与初始步长无关,可以用于复杂问题可靠度的分析。     

水坝瞬态热传导分析中的拟初始条件边界元法

使用一种时域边界元方法对混凝土水坝进行瞬态热传导分析。在对时间积分进行离散计算时,采用一种拟初始条件法,即在时间步迭代计算的过程中,将之前计算结果对当前时间步的影响都视作当前时间步的初始条件。在所取时间步长较小的情况下,这种处理方法容易导致数值结果不稳定,即每一步的计算误差会累计放大,最终导致计算崩溃。本文提出一种虚拟时刻方法以缓解这类数值不稳定现象,在该方法中,时间步长首先放大至合适尺度,计算某个虚拟时刻(往往在真实计算时刻之后)的温度和流量分布,再通过插值方法换算出真实时刻的温度和流量分布。在虚拟时刻点上的温度和流量计算过程中,边界已知温度或流量由真实时刻的温度或流量进行外插得到。本文简单证明了该方法在温度和流量随时间呈线性变化情况下的正确性,最后给出了两个分析实例,验证了该方法的准确性和稳定性。     

三维弹性动力学的改进的无单元Galerkin方法

基于改进的移动最小二乘法建立三维弹性动力学问题的形函数,结合三维弹性动力学的Galerkin积分弱形式,采用罚函数法施加位移边界条件,并引入隐式时间积分,建立了三维弹性动力学的改进的无单元Galerkin方法。该方法由于引入了改进的移动最小二乘法,避免了病态或奇异方程,在保证计算精度的同时提高了传统的无单元Galerkin方法的计算效率。最后通过数值算例对收敛性进行了分析,并证明了该方法比传统的无单元Galerkin方法计算效率提高了15%。     

颗粒群碰撞搜索及CFD-DEM耦合分域求解的推进算法研究

在采用计算流体力学-离散元耦合方法(computational fluiddynamics-discrete element method, CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时, 颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率. 为此, 本文选取每个目标颗粒为研究对象, 引入插值函数计算时间步的运动位移, 构建可变空间搜索网格; 通过筛选可能碰撞颗粒建立搜索列表, 采用逆向搜索方式判断碰撞颗粒, 从而提出一种改进的DEM方法(modified discreteelement method, MDEM). 该算法在颗粒群与流体耦合计算中, 颗粒计算初始时间步选取不受颗粒碰撞时间限制, 通过自动调整和修正实现大步长, 由颗粒和流体耦合条件实时更新流体计算时间步, 使颗粒计算时间步选取过小导致计算效率低、选取过大导致颗粒碰撞漏判的问题得以解决, 为颗粒与流体耦合的数值模拟提供了行之有效的计算方法. 通过两个颗粒和多个颗粒的数值模拟, 得到的颗粒间碰撞力、碰撞位置及次数, 与理论计算结果的相对误差均低于2%, 与传统的DEM碰撞搜索算法相比, 在选取的3种计算时间步均不会影响计算精度, 且有较高的计算效率. 通过多个颗粒与流体的耦合数值模拟, 采用传统的CFD-DEM方法, 只有颗粒计算时间步选取10$^{-6}$ s或更小才能得到精确解, 而采用本文方法取10$^{-4}$ s也能够得到精确解, 避免了颗粒碰撞随时间步增大而出现的漏判问题, 且计算耗时降低了16.7%.      

Wilson-θ法直接积分的运动约束和计算扰动

Wilson-θ法的积分过程一般不可能同时既符合计算假设规定的运动约束条件又满足动力平衡方程,时间步长内附加了一个计算扰动影响。由Wilson-θ法积分计算出的时间步长终点不平衡加速度和系统的动力平衡方程,本文导出了时间步长内计算扰动的确定方法,并进一步采用①同步计算消除计算扰动效应和②后续步计算消除计算扰动效应,两种途径抵消其不利影响。算例指出,本文方法有效减少Wilson-θ法直接积分结果的误差和超越现象,提高了计算稳定性。     

高黏性流动有限元模拟的迭代稳定分步算法

分步算法已被广泛应用于数值求解不可压缩N-S方程. Guermond等认为时间步长必须大于 某个临界值方能使算法稳定. 然而在高黏性流动模拟中,已有的显式和半隐式分步算法由于 其显式本质,必须采用小时间步长计算,不但降低了计算效率,同时也常与为使分步算法稳 分步算法已被广泛应用于数值求解不可压缩N-S方程. Guermond等认为时间步长必须大于 某个临界值方能使算法稳定. 然而在高黏性流动模拟中,已有的显式和半隐式分步算法由于 其显式本质,必须采用小时间步长计算,不但降低了计算效率,同时也常与为使分步算法稳 定必须满足的最小时间步长要求冲突. 本文目的是构造一种含迭代格式的分步算法,它能在 保证精度的前提下大幅度地增大时间步长. 方腔流和平面Poisseuille流数值计算结果证实 了此特点,该方法被有效应用于充填流动过程的数值模拟.     

粘性流基于特征线的四阶Runge-Kutta有限元法

对于二维不可压缩粘性流,通过沿流线方向的坐标变换,推导了无对流项的二维N-S（Navier-Stokes）方程。采用四阶Runge-Kutta法对N-S方程进行时间离散,并沿流线进行Taylor展开,得到显式的时间离散格式,然后利用Galerkin法对其进行空间离散,得到了高精度的有限元算法。利用本文算法对方腔驱动流和圆柱绕流进行了数值计算,通过对时间步长、网格尺寸和流场区域的计算分析,进一步验证了本文算法相比经典CBS法在时间步长、收敛性、耗散性和计算精度方面更具有优势。     

粘性流基于特征线的四阶Runge-Kutta有限元法

对于二维不可压缩粘性流,通过沿流线方向的坐标变换,推导了无对流项的二维N-S(Navier-Stokes)方程。采用四阶Runge-Kutta法对N-S方程进行时间离散,并沿流线进行Taylor展开,得到显式的时间离散格式,然后利用Galerkin法对其进行空间离散,得到了高精度的有限元算法。利用本文算法对方腔驱动流和圆柱绕流进行了数值计算,通过对时间步长、网格尺寸和流场区域的计算分析,进一步验证了本文算法相比经典CBS法在时间步长、收敛性、耗散性和计算精度方面更具有优势。     

刚性源项处理方法在爆震模拟中的应用对比

为解决爆震燃烧模拟中出现的刚性问题,对处理刚性源项问题常见的一步法、逼近法、拟稳态逼近法(α qusai steady state, αQSS)和点隐方法进行对比,从稳定性等方面分析源项处理方法应满足的时间步长要求,并探索各方法之间的联系以及适应化学反应特征变化的能力,进一步通过球头激波诱导燃烧算例比较每种方法的计算效率。理论分析和数值计算表明:一步法在积分刚性源项时,积分步长需小于或等于2倍最短反应特征时间,而逼近法、αQSS法和点隐方法对时间步长取值没有影响;αQSS法可根据化学反应特征的变化自动调整α值和时间步长,适用范围较广,而一步法和逼近法则是αQSS方法的特例。点隐等隐式方法在求解数学意义上的刚性问题时稳定性很好,但计算效率较低。相比而言,αQSS法在计算稳定性和适应化学反应变化方面都具有良好的性能,且针对激波诱导燃烧算例,αQSS法消耗的CPU时间仅为点隐方法的一半,是处理刚性源项较好的选择。     

一种基于Associated Hermite正交函数求解对流扩散方程的算法

提出了一种基于AH(Associated Hermite)正交基函数求解对流扩散方程的无条件稳定算法。该算法将方程的时间项通过Hermite多项式作为正交基函数进行展开,利用Galerkin方法消除时间变量项,从而导出有限维AH域隐式差分方程,突破了传统显式差分格式稳定性条件的限制,最后通过对AH域展开系数的求解得到该对流扩散方程的数值解。在数值算例中,将该算法与传统显示差分法和交替方向隐式差分法进行对比分析,数值计算结果表明,算法无条件稳定且其计算精度与时间步长无关,对于具有精细结构的对流换热问题,该算法具有明显的效率优势,且保持了较高的精度。     

等步长高次多项式插值加速度法的局限性

动力时程分析中,在几个相邻的等长时间步之间对加速度的变化规律用多项式插值来描叙,经过推导可求解得到整个时间域上的动力方程的解答.根据泰勒展开原理分析表明,随着所取多项式次数的增加,收敛精度增高,计算步长适当放大,截断误差仍能在容许的范围之内.但是随着所取多项式次数增大,其算法的稳定域减少, 计算步长受到了此小稳定域的限制,收敛精度不再是所取计算步长宽度的决定因素,稳定域大小成了所取计算步长宽度的决定因素.因为一旦步长超出了此小稳定域范围,虽然在每个时间步内的截断误差不大,其传递的误差却会被放大到很多倍,最后导致计算结果严重失真.分析结果显示,多项式插值次数采用到步长的三次时,与一次多项式插值(对应线性加速度法)和二次多项式插值(对应二次加速度法)的分析方法相比,算法的稳定域急剧变窄,为h/T≤0.0099(h为计算步长,T为结构的固有周期),此小稳定域限制了计算步长的选择范围,其收敛精度很高因此可放大计算步长的优势无法施展.本文推导了三次加速度法的求解过程,进行了一个理想单自由度系统的动力时程分析计算,验证了结论的正确性.表明同时考虑收敛精度和稳定域来确定计算步长的宽度时,二次加速度法为优.     

演化算法求解桁架多目标拓扑优化的收敛速度研究

演化算法能够同时满足结构拓扑优化的前沿领域对全局优化、黑箱函数优化、组合优化和多目标优化的需求,但采用此类算法的可行性与必要性由其收敛性与计算效率决定。本文以应力约束桁架多目标拓扑优化问题为求解对象,致力于揭示在收敛性与计算效率两方面具有竞争力的算法。首先提出评估演化算法求解拓扑优化问题收敛性与计算效率的通用方法,采用穷举法严格推导了典型桁架多目标拓扑优化问题的全局最优解,并采用超体积指标定义了多层次收敛性能准则。最后通过比较研究得到不同收敛性需求下具有最快收敛速度的演化算法,并揭示了具有竞争力的算法机制。本研究为演化算法求解多目标拓扑优化问题的收敛速度奠定了理论基础,同时为高效求解实际工程拓扑优化问题提供算法支持。