自然单元法研究进展

自然单元法是一种基于Voronoi图和Delaunay三角化几何结构,以自然邻点插值为试函数的一种新型数值方法.其既具有无网格方法和经典有限元方法的优点,又克服了两者的一些缺陷,是一种发展前景广阔的求解微分方程的数值方法.自然单元法的形函数满足插值性质,可以像有限元法一样直接施加本质边界条件,不存在基于移动最小二乘拟合的无网格方法不能直接施加本质边界条件的难题.由于自然单元法是无网格方法,可以方便处理有限元方法较难处理的一些问题,例如移动边界和大变形等问题.自然单元法与其他数值方法的最根本区别于其插值格式的不同.将自然邻点插值用于Galerkin过程,就得到基于Voronoi结构的自然单元Galerkin法.自然邻点插值有自然邻点Sibson插值和Laplace插值(非Sibson插值)两种.Laplace插值比Sibson插值在计算上要简单的多,并且不论对凸的或非凸的区域都能精确施加本质边界条件.以Laplace插值为试函数的自然单元法在数值实施上比以Sibson插值为试函数的自然单元法简单.本文对基于Voronoi结构的自然邻点插值和自然单元法的基本思想作了介绍,综述了国内外关于自然单元法的研究成果,总结了自然单元法的优点和尚需解决的问题.      

三维加锚弹塑性损务模型在溪洛渡地下厂房工程中的应用

本文根据断续裂隙岩体的损伤机制,建立了三维弹塑性损伤本构模型反映裂隙岩体的损伤变形特性。考虑断续裂隙岩体的岩锚支护效应,建立了空间损伤锚柱单元模型模拟锚杆的支护效果。最后将建立的模型应用于溪洛渡水电站地下厂房,进行了洞室群开挖弹塑性损伤及岩锚支护三维非线性有限元计算,获得了一些有益的工程结论。     

动力弹塑性分析的无网格自然单元法

基于无网格自然单元法,提出了结构动力弹塑性响应分析的一条新途径．自然单元法是一种新兴的无网格数值计算方法,其实质是基于自然邻近插值的伽辽金法．自然单元法在本质边界条件的施加上较采用移动最小二乘法的无网格法具有明显的优势．在空间域上采用自然单元法离散,并运用加权余量法推导了动力弹塑性分析的离散控制方程．然后,采用预校正形式的Newmark法在时间域上进行求解．最后给出了数值算例,并验证了所提方法的有效性和正确性．     

基于自然单元法的极限上限分析

自然单元法是一种基于离散点集的Voronoi图和Delaunay三角化几何信息,以自然邻近插值为试函数的新型数值方法.相对于一般无网格法中常采用的移动最小二乘近似而言,自然邻近插值不涉及到复杂的矩阵求逆运算,更不需要任何人为的参数,可以提高计算效率.采用该方法构造的形函数满足Delta函数的性质,可以像有限元一样准确地施加边界条件,可以方便处理场函数及其导数的不连续性的问题.论文将自然单元法应用到极限上限分析中,编制了相应的计算程序,通过极限分析的几个经典算例进行了验证,同时采用类似于分片应力磨平的方式,编制相应的磨平程序,由计算点上的塑性耗散功外推得到了节点上的塑性耗散功的值,从而画出了极限状态下结构的塑性耗散功的分布云图.计算结果表明采用自然单元法求解极限上限分析具有稳定性好,精度高,收敛快等优点.     

节点梯度光滑有限元配点法

配点法构造简单、计算高效,但需要用到数值离散形函数的高阶梯度,而传统有限元形函数的梯度在单元边界处通常仅具有C0连续性,因此无法直接用于配点法分析.本文通过引入有限元形函数的光滑梯度,提出了节点梯度光滑有限元配点法.首先基于广义梯度光滑方法,定义了有限元形函数在节点处的一阶光滑梯度值,然后以有限元形函数为核函数构造了有...     

缆索热铸锚具的精细化建模和有限元分析

编写了适于参数化分析的热铸锚具的数值仿真命令流,锚具的精细有限元数值模型中分别采用三维两节点梁单元Beam188来模拟钢丝,三维八节点实体单元Solid185来模拟锚杯和铸体;通过设置多点约束中的刚臂单元MPC184来模拟钢索的截面影响,通过刚臂与实体单元节点之间的点点接触单元Conta178模拟钢丝与热铸锚铸体之间的接触和摩擦;通过面面接触单元Conta173来模拟锚杯内侧面与铸体浇注面之间的连接.在此基础上研究了钢丝束直径和股数对锚具受力的影响,并进行了比较分析;对锚具进行了设计荷载和破断荷载下的静力分析,给出了锚具的应力和变形分布.最后,考虑到施工工艺误差和安装偏差等因素,锚具节点在实际受力时经常承受局部弯矩,研究了在轴向力和侧向水平力共同作用下的热铸锚具的应力变化.本文研究结果表明:热铸锚具内部应力分布不均匀,应力集中主要出现在锚杯与铸体连接处和锚杯杯口位置,其他部位的应力相对较小;在侧向荷载作用下,应力分布发生了较显著变化,最大应力点的位置也发生了侧向偏移.     

自然单元法在线弹性断裂力学中的应用研究

采用Laplace插值构造近似场函数,代入弹性力学边值问题的变分弱形式,由变分原理推导出自然单元法的离散控制方程。运用线弹性断裂力学理论,分析了有限板单边Ⅰ型裂纹的应力强度因子和有限板拉剪复合裂纹的扩展,给出了分析线弹性断裂力学问题的自然单元法。数值计算结果表明了方法的正确性和有效性。     

线性强化材料弹塑性分析的自然单元法

自然单元法(NEM)是一种求解偏微分方程的无网格数值方法,其形函数兼具无网格法的特点和传统有限元法的优点.本文基于塑性增量理论,将自然单元法应用于弹塑性问题的分析计算中.为实现近似函数在非凸边界上的线性变化,采用约束的自然单元法(C-NEM)进行形函数计算.给出了增量切线刚度法求解非线性控制方程的相关公式,并对加载状态的确定和过渡状态下比例因子的计算方法等问题进行了深入的研究.编制了Von-Mises屈服准则下线性强化材料模型的二维弹塑性分析计算程序.算例分析表明,用自然单元法分析弹塑性力学问题是可行的,具有前处理过程简单、可以方便地准确施加本质边界条件等优点.     

夯筑遗址加固中楠竹锚杆应力分布变化规律研究

针对西北地区夯筑土遗址楠竹锚固体系,本文在对锚固体中杆体、土体和注浆体的材料性能试验基础上,研究荷载、锚固长度、锚杆直径、孔径、注浆体配比、碳纤维加肋和倾角等因素对楠竹锚杆锚固性能及应力分布规律的影响,同时对荷载、锚固长度和锚杆直径变化状况下的应力分布特征进行数值模拟分析。结果表明:锚杆受力过程中,应力沿杆体分布不均匀;随着锚固长度的增加,应力分布趋于均匀化,而应力峰值沿锚固深度向底端扩展的速度较慢;随着杆体直径和孔径的增加,锚固体应力趋于均匀化,使锚固系统更趋合理化;注浆体强度对应力分布的影响反之;碳纤维加肋可有效提高锚杆的抗劈裂性及锚固力,但会使应力分布更集中化;锚杆布置角度以10°为宜。采用接触单元,模拟杆体与注浆体、注浆体与土体界面间的黏结、咬合效应,不同工况下应力的分布规律、极值大小等参数均与原位试验结果吻合度较好,后期计算分析与研究可予以借鉴。     

超级有限元法及其在结构工程中的应用

本文探讨一种基于半连续半离散思想，适用于复杂结构（如高层框架、剪力墙、桁架、网架等结构系统）工程分析的超级有限元，其结构数值分析是按连续体进行，但又按单个构件进行有限元计算。这种按整体系统进行离散所获得的单元内部包含众多构件，有别于一般常见的实体有限元，称为“超级有限元”。这种方法自由度数比一般有限元法少很多，又与单元内部所含构件数多少无关，并可求取结构内每个构件的内力值。     

大规模有限元系统的GPU加速计算研究

研究了GPU(Graphics Processing Units)计算应用于有限元方法中的总刚计算和组装、稀疏矩阵与向量乘积运算、线性方程组求解问题,并基于CUDA(Compute Unified Device Architecture)平台利用GTX295GPU进行程序实现和测试。系统总刚采用CSR(Compressed Sparse Row)压缩格式存放于GPU显存中,用单元染色方法实现总刚并行计算组装,用共轭梯度迭代法求解大规模线性方程组。对300万自由度以内的空间桁架和平面问题算例,GPU有限元计算分别获得最高9.5倍和6.5倍的计算加速比,并且加速比随系统自由度的增加而近似线性增加,GFLOP/s峰值也有近10倍的增加。     

Daubechies条件小波有限元法研究

为拓展小波理论在结构工程中的应用,提高结构计算精度,提出了以Daubechies条件小波Ritz法为基础的Daubechies条件小波有限元法。该法结合广义变分原理和拉格朗日乘子法构造修正泛函,根据修正泛函的驻值条件得到全域法求解方程矩阵。根据构件的边界条件,按左右边界对求解矩阵进行相应拆分,构建条件小波单元刚度矩阵,并依据公共节点位移相等原则形成总体刚度矩阵,由此解得各单元的小波基待定系数,即可进一步求解位移场函数、内力分布函数及荷载集度函数。以工程中常见的弹性拉压杆及平面弯曲梁为例,详细阐述了该方法的构造过程。并通过典型算例将Daubechies条件小波有限元法计算值与理论解进行了对比,结果表明:在弹性拉压杆算例中,位移、应力、载荷集度的相对误差均在1.22×10-3%以内;在平面弯曲梁算例中,挠度、弯矩、载荷集度的相对误差均在8.91×10-2%以内。     

探讨碾压混凝土坝薄层单元有限元分析法

分析了碾压混凝土层面影响带厚度、物理力学参数等确定的方法，提出了薄层单元有限元法的原理和方法，探讨了该方法在分析碾压混凝土坝工作性态中的应用。实例表明，薄层单元有限元法能较有效地分析带有层面的碾压混凝土坝性能。     

扩展有限元方法计算多夹杂问题时圆形夹杂与四边形单元的几何关系

用扩展有限元法XFEM(Extended Finite Element Method)解决夹杂问题时,夹杂与基质的界面把单元分成若干部分.求单元刚度矩阵时,需要分别在这各个部分求积分.找到便于程序编制的描述各积分区域几何形状的方法是亟待解决的问题.本文把各积分区域的形成过程看成是圆对四边形的多次切割.考虑切剩区域与圆的关系时,把不完整的边仍看作完整的边,把切剩区域看成是四边形或是切去一两条边的四边形.采用排列组合的方法,把它们与圆的所有位置关系列了出来.     

有限元计算中疏密网格过渡方法研究

工程计算中出于节省计算量的目的,往往需要在一个有限元模型中布置粗细不同的网格。为保证计算结果的准确性,必须保证网格突变情况下的位移协调问题。本文工作之一是在强天驰界面过渡单元的基础上,引入虚拟节点和子单元,在子单元中应用节理元思想,提出了基于最小势能原理的弹簧节理单元法。简化了积分运算,避免了精度要求极高的坐标转换,从而提高了方法的精度和实用性;二是提出了基于位移约束的主从自由度法,简便实用,只需简单的矩阵运算即可实现。两种方法均实现了不同尺寸网格间位移的协调性和刚度的匹配,从而使之满足有限元收敛准则,且生成的刚度阵具有对称性及带状性。算例证明两种方法精度良好,并可方便地应用于求解大规模工程问题。     

一种提高薄板稳定分析精度的方法

在薄板稳定分析中，九参数三角形薄板单元因其形状简单，使用方便，在实际工程中得到了广泛应用。本文基于参数调正的几何刚度矩阵，对九参数三角形薄板单元的一致刚度矩阵进行了修正，为提高计算精度提供了一种有效方法。     

Detection of crack location using cracked beam element method for structural analysis

The local flexibility introduced by cracks changes the dynamic behavior of the structure and, by examining this change, crack position and magnitude can be identified. In order to model the structure for FEM analysis, a special finite element for a cracked Timoshenko beam is developed. Shape functions for rotational and translational displacements are used to obtain the consistent mass matrix for the cracked beam element. Effect of the crack on the stiffness matrix and consistent mass matrix is investigated. Proposed is a procedure for identifying cracks in structures using modal test data.     

基于谱元法的空间刚架动力学特性分析

以空间刚架结构为研究对象,应用谱元法研究其动力学特性,依次推导出杆、轴和铁木辛柯梁的动力学刚度阵,进而得到空间刚架的动力学刚度阵和频域响应的理论方程,拓展了谱元法应用范围。编程计算获得空间刚架的固有频率和点的谐响应曲线,与有限元分析相比较,进一步得到载荷下的瞬态响应。研究表明,谱元法在刚架结构的动力学特性分析中,比有限元方法高效高精度,更适宜解决中高频振动问题。     

中厚板弯曲问题的自然单元法

自然单元法是一种新兴的无网格数值计算方法,基于Reissner-Mindlin板弯曲理论,将自然单元法应用于平板弯曲问题的计算中,给出了相关的公式,推导了总体刚度矩阵和荷载列阵的计算列式.算例分析表明,自然单元法应用于中厚板的弯曲问题具有较高的计算精度,并可用于Winkler地基上基础板的计算.同时指出,对于厚跨比较小的薄板,由于对挠度和中面法线转角采用相同的插值形式,当板厚变薄时夸大了虚假的剪切变形影响,因而表现出剪切自锁现象.对进一步开发厚薄板通用的计算程序作了初步探讨.     

基于自然单元法的轴对称结构极限上限分析

自然单元法是一种以自然邻近插值为试函数的新兴无网格数值方法,其形函数的计算不涉及矩阵求逆,也不需要任何人为参数。为了充分发挥自然单元法的优势,本文基于极限分析上限定理建立了轴对称结构极限上限分析的整套求解算法。轴对称结构的位移场由自然邻近插值构造,并且采用罚函数法处理材料的不可压条件。为了消除目标函数非光滑所引起的数值困难,采用逐步识别刚性区和塑性区,并对两者用不同方法进行处理。数值算例结果表明,本文提出的轴对称结构极限上限分析方法是行之有效的。