流体与结构相互作用问题的FE-SPH耦合模拟

应用有限元(FE)-光滑粒子流体动力学(SPH)耦合法模拟了具有自由表面的不可压流体与结构的相互作用问题.流体和结构分别采用SPH法和有限元法同时求解,两者在交界面处的相互作用通过接触算法进行处理.为了避免隐式计算压力,通过引入人工压缩率,将不可压流体近似为人工可压缩流体.采用FE-SPH耦合法对弹性板在随时间变化的水压作用下的变形以及倒塌水柱冲击弹性结构两个问题进行了模拟.模拟结果与实验结果以及其他已有数值结果符合良好,说明FE-SPH耦合法用于流体与结构相互作用问题的模拟是可行和有效的.     

结构静力有限元分层并行计算方法

根据分布式存储并行计算机的体系结构特点,提出了一种结构静力有限元分层并行计算方法. 该方法在两级分区两次缩聚策略的基础上不仅实现了大量数据的分布式存储,提高了数据的内存访问速率;而且实现了计算过程的三层并行,有效提高了通信效率;此外,它还进一步降低了界面方程的规模,大幅度减少了界面方程的求解时间. 因此,它能够充分利用分布式存储并行计算机的体系结构特点提升大规模并行计算效率. 最后通过典型数值算例验证了该方法的正确性和有效性.     

列车与结构动态耦合分析的并行计算方法

在分析结构动态响应时考虑列车与结构的动态耦合作用,采用详细三维有限元模型会带来计算量太大的问题。本文采用并行计算方法,根据列车与结构动态耦合模型的计算特点,设计实现了列车结构耦合均衡的分区算法,并以两个工程应用为例,利用该方法对列车结构三维数值模型进行分区计算,结果表明该分区方法比递归坐标二分法有更好的并行效率。     

粘性流体中弹性板振动的有限元耦合问题

流体－结构耦合作用问题是工程中比较常见的问题，具有重要意义，由于流体计算的复杂性，迄今为止，大部分的流体－结构耦合分析都是建立在对流体充分简化的基础上，尤其是将流体视为无粘、无旋的理想流体。该文在近年来前人工作的基础上，发展了一种流体－弹性结构耦合计算模式。流体视为不可压、有粘的介质，流场没有自由表面。该文采用ＳＵ／ＰＧ方法形成流体的有限元方程，采用ＡＬＥ格式处理流体和结构之间的移动界面。采用预估     

非线性流体-刚体结构相互作用问题的一种数值模拟方法

给出了一种模拟非线性流体-刚体结构相互作用问题的数值方法.文中假定结构承受大的刚体运动,流体流动受非线性有粘或无粘的场方程支配并满足自由表面和两相耦合界面上的非线性边界条件,利用任意拉氏-欧氏(ALE)网格系统构造了数值模型.采用所探讨的多块数值格式,允许可动重造网格间有独立的相对运动,从而克服了流体网格与固体大运动匹配的困难.通过数值离散化,导出了描述非线性流固耦合动力学的数值方程并应用耦合迭代过程对其作了求解.通过算例,说明了所提出数值模型的应用.     

有限元并行计算的预处理

首先指出了有限元并行计算预处理的重要性和影响有限元并行计算效率的关键因素,然后介绍了两类有限元并行计算的任务划分方法,并在此基础上提出了一种改进的划分方法,经过验证这种方法是有效的。最后基于网络机群并行环境和消息传递编程模式,给出了一种能够降低通信成本的消息传递次序调整方法,并对调整前后的通信成本进行了比较。     

双层旋转壳流固耦合振动有限元分析

本文采用旋转壳体元和流体元分析了双层旋转壳体流固耦合振动特性,基于Novozhilov壳体理论、水弹性理论以及Hamilton变分原理推导出耦合系统运动方程,计算结果与实测值比较表明本分析方法有较好的精度。     

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架

海底地震动的模拟以及海洋工程结构的地震反应分析中,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩、结构之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩和结构,分别考虑相互之间的耦合,十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后,以饱和多孔介质方程为基础,经集中质量有限元离散,考虑不同孔隙率的饱和多孔介质之间耦合的一般情形,建立了该耦合情形的求解方法.进一步论证了该一般情形的耦合计算方法可分别退化到流体与固体、流体与饱和多孔介质、固体与饱和多孔介质之间的耦合计算,从而将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.以P-SV波垂直入射时,半无限层状海水-饱和海床、海水-弹性基岩、海水-饱和海床-弹性基岩三种情形的动力分析为例,采用统一计算框架结合透射边界条件进行求解,并与传递矩阵方法得到的解进行对比,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.     

密闭腔体声-结构耦合系统的动力灵敏度分析

以密闭空腔为对象,开展了声-结构耦合系统的动力分析和灵敏度计算,为系统性态优化设计提供理论和算法基础。分别把结构和声场进行离散化,推导了声-结构耦合系统的有限元方程,求解了耦合系统的频率和声压级响应。在此基础上,以结构尺寸为设计变量,计算了耦合系统的固有频率和声压级响应的灵敏度,解决了声-结构耦合系统动力灵敏度的数值算法问题。     

一种新的并行自适应网格有限元算法

给出了一种新的适用于流体力学问题的并行自适应有限元算法。首先,基于初始稀网格上获得的事后误差估算值,应用反复谱对剖分方法对初网格进行划分,使各子域上总体误差近似相等,从而解决并行自适应计算中的负载平衡问题。然后在各处理器上独立地求解整体问题,并进行指定子域上的网格自适应处理。最后将各子域上的自适应网格组合成一个整体网格,应用基于粘接元技术的区域分裂法在该网格上获得最终解。文末给出了数值实验结果。     

岩质圆形隧洞围岩应力场弹塑性新解

针对动态接触问题的有限元并行计算，提出了一种新的接触算法. 新算法引入局部拉氏 乘子技术来计算接触力. 由于同时考虑了无穿透的接触约束条件和相邻接触对的相互影响， 较之广泛使用的罚参数法，新算法使接触约束条件和系统平衡方程得到更充分的满足. 虽然 为提高接触计算精度而在局部采用了迭代技术，但算法仍然具有较高的效率，且与显式时间 积分方案完全相容. 此外，通过构造专门的区域分解方案，实现了将现有为串行程序开发的 搜索算法平滑移植到并行环境的目标. 数值算例表明，所提出的接触算法具有很好的并行性， 在保证了接触问题并行计算精度的同时，取得了满意的并行效率.     

Fluid–structure interaction approaches on fixed grids based on two different domain decomposition ideas

This paper presents two domain decomposition techniques for fixed grid fluid–structure interaction simulations that can be applied to the interaction of general structures with incompressible flows. One approach is based on an overlapping domain decomposition idea while the other uses non-overlapping domains. The first technique combines a fixed grid Chimera approach with arbitrary Lagrangean Eulerian based methods, the second one is based on an eXtended Finite Element Method (XFEM) strategy. Both techniques are used in a partitioned and strong coupling fluid–structure framework. The usage of such fixed-grid methods considerably increases the range of possible applications. Several test examples demonstrate key features of both methods.     

面向复杂几何模型的并行四面体网格生成方法

面向大规模工程计算等数值模拟领域,提出了一种支持复杂几何模型的大规模四面体网格并行生成方法。该方法以复杂几何模型作为输入,首先采用串行网格生成方法生成初始四面体网格,然后通过两级区域分解方法将初始网格分解为多个子网格并分配到相应的进程中,进程间并行地提取出子网格的表面网格,并基于几何模型对面网格进行贴体加密,最后对加密后的面网格采用Delaunay方法重新生成四面体网格,该方法可以更好地适应高性能计算机体系结构,较好地克服了并行方法中并行性能和网格质量不能兼顾的问题。对三峡大坝模型进行测试和验证,证明该方法具有良好的并行效率和可扩展性,可以在数万处理器核上并行生成数十亿高质量四面体网格。     

A parallel solver based on the dual Schur decomposition of general finite element matrices

A parallel solver based on domain decomposition is presented for the solution of large algebraic systems arising in the finite element discretization of mechanical problems. It is hybrid in the sense that it combines a direct factorization of the local subdomain problems with an iterative treatment of the interface system by a parallel GMRES algorithm. An important feature of the proposed solver is the use of a set of Lagrange multipliers to enforce continuity of the finite element unknowns at the interface. A projection step and a preconditioner are proposed to control the conditioning of the interface matrix. The decomposition of the finite element mesh is formulated as a graph partitioning problem. A two-step approach is used where an initial decomposition is optimized by non-deterministic heuristics to increase the quality of the decomposition. Parallel simulations of a Navier–Stokes flow problem carried out on a Convex Exemplar SPP system with 16 processors show that the use of optimized decompositions and the preconditioning step are keys to obtaining high parallel efficiencies. Typical parallel efficiencies range above 80%. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于区域分解的并行有限元程序及其在水下爆炸中的应用

基于MPI标准定义的消息传递接口实现了显式动力学有限元程序的并行计算.通过基于Hilbert空间填充曲线的区域分解算法,实现各区域的独立运算和区域之间共享数据的相互通信.利用程序对水下爆炸自由场中的冲击波传播规律进行了数值模拟,并通过对不同进程数下的并行加速比进行测试,验证了程序的并行效率.     

任意的拉格朗日欧拉边界元－有限元混合法分析物体撞水响应

计算物体的撞水响应目前已有了一些专用的算法．本文在分析和比较这些算法的基础上，提出了一个解撞水问题的任意的拉格朗日欧拉边界元－有限元混合法（ＡＬＥ－ＢＥ－ＦＥＭ），这个方法不仅充分发挥了边界元法计算半空间流场的优越性，而且还能计及液面大晃动的非线性边界条件和物体变形所造成的影响．文中给出圆柱刚体和楔形刚柱体两个撞水算例，结果有力表明该方法的可靠性和有效性。     

A COMPARATIVE STUDY OF THE OPENING AND CLOSING PROCESS OF TWO TYPES OF MECHANICAL HEART VALVES USING ALE FINITE ELEMENT METHOD

ＡＣＯＭＰＡＲＡＴＩＶＥＳＴＵＤＹＯＦＴＨＥＯＰＥＮＩＮＧＡＮＤＣＬＯＳＩＮＧＰＲＯＣＥＳＳＯＦＴＷＯＴＹＰＥＳＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＨＥＡＲＴＶＡＬＶＥＳＵＳＩＮＧＡＬＥＦＩＮＩＴＥＥＬＥＭＥＮＴＭＥＴＨＯＤＡＣＯＭＰＡＲＡＴＩＶＥＳＴＵＤＹＯＦ...