用逐点插入法生成Delaunay四面体自适应网格

介绍一种基于Delaunay算法的四面体自适应网格的自动划分方法。该方法用单元尺度场控制生成网格的疏密分布,在不满足尺度场要求的单元面形心处插入新节点,同时计算新节点单元尺寸参数,实现三维实体的Delaunay四面体自动划分。此方法具有几个特点:一是表面网格与体内网格同步划分,无需区分两者;二是结点与单元同时生成;三是生成网格自适应性好,疏密分布任意。另外,还介绍了三维网格划分中两个相关算法:一个是约束面恢复算法,该算法基于约束面不允许有单元边与之相交的性质而提出的;另一个是将二维射线法推广至三维空间,判断一个点是否在一多面体内,实现了凹多面体的划分。最后通过算例对单元质量进行了评价。本文所述方法是一种有效的四面体自适应单元生成算法。     

三维六面体有限元网格自动划分中的一种单元转换优化算法

本文采用十节点曲边四面体转换为六面体网格,并采用非线性约束优化算法取Ｌａｐｌａｃｉａｎ光滑处理算法有效地提高六面体单元的质量,实现了对任意实体的六面体网格自动划分。     

局部自然坐标与斜交笛卡儿坐标的对等性

本文通过分析法和几何法证明：在有限元法和边界元法中，平面三角形单元的面积坐标或四面体单元的体积坐标与由这些单元的二边或三边构成的斜交笛卡儿二维坐标或三维坐标，尽管定义不同，而其内容却是完全对等的。这样，完善地解决了单元中任意点在整体坐标与局部坐标的表示问题和基于局部自然坐标的面积分和体积分的数值积分的依据问题。     

四面体单元网格加密过程中的曲面逼近算法及程序实现

本文介绍了一种在四面体单元网格的加密过程中实现曲面逼近的算法．单元加密采用了最长边加密算法．曲面逼近实现了对二次曲面的逼近功能．当加密点所在边是边界面上的边时，将该点挪到对应的边界面上．挪动时根据该边所参与的两个边界三角形面的法向方向来确定加密点的挪动方向，再结合二次曲面方程来计算出挪动后点的新坐标．算例表明，对于由二次曲面边界围成的物体，这种算法能够有效地实现网格加密过程中的曲面边界逼近功能．     

基于转换模板的三维实体全六面体网格生成方法

以四面体一六面体基本转换模板为基础,提出一系列具有伸缩性的扩展转换模板．可根据需要选择不同模板及其组合,将四面体分解为不同数量、不同密度过渡形式的六面体单元。这样,初始四面体网格不需要划分得很细,生成的六面体单元数量也可以通过采用不同规格的扩展转换模板而得到控制。提出了基于CAD几何造型的边界节点坐标修正方法．从而使边界网格更好地拟合几何模型边界。     

基于OPS和拓扑交换的离心泵网格质量提高算法

针对OPS算法本身固有的无法提高"全边界单元"质量的缺陷,提出了一种结合OPS和拓扑优化的网格质量提高算法。该方法通过判别"全边界单元"中边(或面)受到相邻单元共享的形式,采用不同的拓扑交换策略,且在拓扑交换过程中仅考虑网格的拓扑相关性,并不考虑网格的质量,保证将"全边界单元"转化为OPS算法提高其质量的其他类型边界单元。算例分析表明,本文算法相比Freitag的组合算法在消除极端二面角方面更具优势,相比OPS算法对提高离心泵边界网格及整体网格质量也具有较好的优势。     

三维变系数热传导问题边界元分析中几乎奇异积分计算

在边界积分的数值计算过程中,当源点离积分单元很近时,边界积分就会具有几乎奇异性,此时不能直接用高斯数值积分公式计算几乎奇异积分。本文以三维非均质热传导问题为例,介绍了一种计算几乎奇异边界积分的新方法。首先,采用Newton-Raphson迭代算法确定积分单元上离源点最近的点;然后,将积分单元上任意一点的坐标在最近点处展开成泰勒级数,并计算源点到积分单元任意点的距离;最后,将距离函数代入几乎奇异边界积分中,并运用指数变换方法导出积分单元上几乎奇异积分的计算公式。文中给出了两个非均质热传导问题的算例来验证所述方法的正确性、有效性和稳定性。     

凹形多面体离散单元的水平集函数接触算法

多面体模型理论上可构造任意颗粒形态,然而受单元接触算法的限制,仅用于凸形颗粒材料的离散元模拟。对于具有凹形特征的多面体单元,单个接触点的搜索算法难以精确计算单元间的作用力。考虑多面体单元间存在单个或多个接触点的计算特性,本文发展了适用于凸形和凹形多面体颗粒材料的水平集函数接触算法。该方法通过点-三角形单元距离计算方法和奇-偶数判定方法建立多面体单元的零水平集函数和空间水平集函数,并对水平集函数进行三线性插值,可得到多面体单元间的单个或多个接触点。为检验水平集函数接触算法的可靠性,对球形和凹形多面体颗粒材料的堆积和倒塌过程进行离散元模拟,并分析颗粒形状对堆积密度和休止角的影响规律。     

基于扩展多面体的离散单元法及其作用于圆桩的冰载荷计算

对于具有复杂几何形态的多面体单元,线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力,且接触变形和作用力方向也不易判断.基于闵可夫斯基和(Minkowski sum)方法的扩展多面体单元能够准确描述非规则颗粒单元的几何形态,并可精确计算单元间的接触碰撞作用.该方法具有接触判断简单、计算效率高的特点.它将基本多面体和扩展球体相叠加以形成具有光滑棱边和角点的扩展多面体单元.考虑扩展多面体单元相互作用过程中角点、棱边和平面之间的不同接触模式,发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该接触模型将不同接触模型下的法向刚度统一表述为单元接触中接触点处等效曲率半径的函数;黏滞力和切向弹性力接触模型则借鉴球体单元非线性接触模型的处理方法. 为检验扩展多面体的可靠性,对碎冰区冰块对圆桩结构的冰载荷进行了离散元分析. 采用沃洛诺伊(Voronoi)切割算法获得了碎冰的初始随机分布状态,并考虑了海冰在运动过程中的海水浮力和拖曳力.计算表明该扩展多面体单元可描述海冰在海流拖曳下的运动过程以及圆桩结构的动冰力特性.在此基础上进一步分析了冰速和冰块尺寸对圆桩冰力的影响,并确定了冰力在圆桩上的分布规律. 最后,讨论了目前扩展多面体单元在计算冰载荷方面的局限性和改进方法.      

薄元分解与Laplacian光顺相结合的四面体有限元网格优化方法

提出一种有效的三维实体四面体有限元网格质量优化方法以满足有限元分析对网格质量的要求。对薄元分解法进行改进,改进的薄元分解法更全面地考虑了各种劣质单元类型,能够对三维实体网格剖分中产生的各种类别的孤立劣质单元进行有效的分解;将改进的薄元分解法与Laplacian光顺优化方法相结合以解决某些网格剖分算法如推进波前法和Delaunay三角化方法产生的非孤立劣质单元问题。经过实例检验,本文提出的四面体单元网格优化算法健壮有效、易于实现,能够显著提高最差单元的质量。     

Momentum/continuity coupling with large non‐isotropic momentum source terms

Pressure‐based methods such as the SIMPLE algorithm are frequently used to determine a coupled solution between the component momentum equations and the continuity equation. This paper presents a colocated variable pressure correction algorithm for control volumes of polyhedral/polygonal cell topologies. The correction method is presented independent of spatial approximation. The presence of non‐isotropic momentum source terms is included in the proposed algorithm to ensure its applicability to multi‐physics applications such as gas and particulate flows. Two classic validation test cases are included along with a newly proposed test case specific to multiphase flows. The classic validation test cases demonstrate the application of the proposed algorithm on truly arbitrary polygonal/polyhedral cell meshes. A comparison between the current algorithm and commercially available software is made to demonstrate that the proposed algorithm is competitively efficient. The newly proposed test case demonstrates the benefits of the current algorithm when applied to a multiphase flow situation. The numerical results from this case show that the proposed algorithm is more robust than other methods previously proposed. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

分层有杆抽油系统诊断模型的反问题计算法

建立了分层有杆抽油系统的诊断模型 ,研究了在实心抽油杆与空心抽油杆的界面处空心泵对应力波的影响 ,给出了抽油杆柱不同杆段的波动方程的显示差分格式 ,提出了一种诊断模型的反问题计算法。用此算法可在缺少一个边界条件的情况下求解诊断模型 ,获得抽油系统各个工况下抽油杆柱任意截面的受力状态 ,从而可绘制出分层有杆抽油系统的空心泵示功图和管式泵示功图。将此算法与模式识别技术相结合就可对分层有杆抽油系统的故障进行诊断。     

一种基于径向基函数的两步法网格变形策略

基于径向基函数(RBF) 的网格变形方法是一种可靠的网格变形技术,对于任意拓扑的网格都能获得高质量的变形网格. 缩减控制点的RBF 网格变形方法可以大幅提高网格变形效率,但也存在变形后物面误差较大、边界层网格交错的问题. 在缩减控制点方法的基础上,提出了一种适合于带有边界层的黏性网格变形的方法,该方法从物面中选择两组控制点,利用其中一组控制点粗略计算变形后网格位置及变形误差,利用第二组控制点与变形误差插值得到更为精确的变形网格. 利用该方法完成带襟翼的NLR 7301 二维构型和带发动机短舱的DLR F6 翼身组合体的网格变形问题,结果表明该方法可以较大幅度降低变形网格的物面误差,并且有效避免边界层网格交错问题.      

两点边值问题的小波配点法

根据多分辨分析,提出用任意连续的尺度函数构造区间上的插值基函数,形成以尺度函数为基础的求解两点边值问题的小波配点法.该方法中,尺度函数不受紧支撑、插值等性质的限制,计算复杂度小,数值解收敛性由多分辨分析理论保证.同时,给出边值条件的积分处理方法,能够方便地处理任意边界条件,当尺度函数不具有高阶导数时,该方法也能有效使用.数值算例表明,该方法是一个高效、高精度的算法.     

考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法

拓扑优化作为一种先进设计方法, 已被成功用于多个学科领域优化问题求解, 但从拓扑优化结果到其工程应用之间仍存在诸多阻碍, 如在结构设计中存在难以制造的小孔或边界裂缝和单铰链连接等. 在拓扑优化设计阶段考虑结构最小尺寸控制是解决上述问题的一种有效手段. 在最小尺寸控制的结构拓扑优化方法中, 通用性较强的固体各向同性材料惩罚法SIMP优化结果边界模糊不光滑, 包含精确几何信息的移动变形组件法MMC对初始布局具有较强依赖性. 本文提出一种考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法. 所提方法继承了二者优势, 避免了各自缺点. 在该方法中, 首先采用活跃轮廓算法ACWE获取SIMP输出的拓扑结构边界轮廓数据, 提出了SIMP优化结果到MMC组件初始布局的映射方法. 其次, 通过引入组件的3个长度变量, 建立了半圆形末端的多变形组件拓扑描述函数模型. 最后, 以组件厚度变量为约束, 构建了考虑结构最小尺寸控制的拓扑优化模型. 采用最小柔度问题和柔性机构问题验证了所提方法的有效性. 数值结果表明, 所提方法在无需额外约束的条件下, 仅通过组件厚度变量下限设置, 可实现整体结构的最小尺寸精确控制, 并获得了具有全局光滑的拓扑结构边界.      

Variational boundary integral approach for asymmetric impinging jets of arbitrary two‐dimensional nozzle

We consider asymmetric impinging jets issuing from an arbitrary nozzle. The flow is assumed to be two‐dimensional, inviscid, incompressible, and irrotational. The impinging jet from an arbitrary nozzle has a couple of separated infinite free boundaries, which makes the problem hard to solve. We formulate this problem using the stream function represented with a specific single layer potential. This potential can be extended to the surrounding region of the jet flow, and this extension can be proved to be a bounded function. Using this fact, the formulation yields the boundary integral equations on the entire nozzle and free boundary. In addition, a boundary perturbation produces an extraordinary boundary integral equation for the boundary variation. Based on these variational boundary integral equations, we can provide an efficient algorithm that can treat with the asymmetric impinging jets having arbitrarily shaped nozzles. Particularly, the proposed algorithm uses the infinite computational domain instead of a truncated one. To show the convergence and accuracy of the numerical solution, we compare our solutions with the exact solutions of free jets. Numerical results on diverse impinging jets with nozzles of various shapes are also presented to demonstrate the applicability and reliability of the algorithm.     

基于ICM方法的多工况位移约束下板壳结构拓扑优化设计

基于ICM方法,建立了多种载荷工况下受位移约束极小化结构重量的拓扑优化近似显式模型,采用精确对偶映射下的序列二次规划算法进行求解,得到了结构的最优拓扑.数值算例表明:ICM方法也可以很好地应用于多工况下板壳结构拓扑优化设计,且收敛快,稳定性好;边界条件和位移约束值都会影响结构的最优拓扑;多工况最优传力路径不是各个单工况最优传力路径的简单叠加.     

Simulation of liquid sloshing in curved‐wall containers with arbitrary Lagrangian–Eulerian method

There are many challenges in the numerical simulation of liquid sloshing in horizontal cylinders and spherical containers using the finite element method of arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) formulation: tracking the motion of the free surface with the contact points, defining the mesh velocity on the curved wall boundary and updating the computational mesh. In order to keep the contact points slipping along the curved side wall, the shape vector in each time advancement is defined to modify the kinematical boundary conditions on the free surface. A special function is introduced to automatically smooth the nodal velocities on the curved wall boundary based on the liquid nodal velocities. The elliptic partial differential equation with Dirichlet boundary conditions can directly rezone the inner nodal velocities in more than a single freedom. The incremental fractional step method is introduced to solve the finite element liquid equations. The numerical results that stemmed from the algorithm show good agreement with experimental phenomena, which demonstrates that the ALE method provides an efficient computing scheme in moving curved wall boundaries. This method can be extended to 3D cases by improving the technique to compute the shape vector. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

改进的遗传算法在连续体结构多目标拓扑优化中的应用

连续体结掏多目标拓扑优化是结构优化领域中的一个较难的研究课题.本文提出了一种改进的SPEA2多目标优化算法.该算法中采用数学形态学中的四方向链码的编码方式进行结构拓扑表达,使产生的拓扑结构清晰且无异议,完全消除了模糊的拓扑边界和棋盘格现象.提出了"质量向量"的概念,用以量化两个结构拓扑之间的相似性,从而使得不同结构拓扑之间的相似性比较成为可能.同时还将机器学习中的范例学习的思想融入到新算法中,利用前面的有限元分析结果对后来的结构分析进行指导,剔除了很多不必要的重复的计算,从而使算法的总计算量大幅度地减少.将新算法应用于悬臂和简支两类深梁的多目标拓扑优化,获得了高质量的Pareto最优解,且具有很好的分布.