数学网格和物理网格分离的有限单元法(I):基本理论

常规有限单元法在复杂边界问题的网格剖分、可移动边界和非连续变形问题的数值模拟等方面存在困难.本文将常规的有限单元分离为几何上相互独立的数学单元和物理单元,基于数学单元构造近似函数,引入位移模式关联法则以确定物理单元的位移模式,提出了在现有有限单元法框架内、基于数学网格和物理网格分离的强化有限单元法(FEM++).与常规有限单元法(SFEM)比较表明,强化有限单元法不仅很好地克服了常规有限单元法网格剖分上的困难,而且提供了一条更简便、更自然的分析移动边界问题和非连续变形问题的新途径.最后,通过数值算例验证了强化有限单元法的适用性和有效性.     

平面问题的正弦级数与多项式的有限条法

1.前言尽管作为解决结构分析问题的强有力的和应用非常广污的有限元法已经被建立并为人们所了解。但有限元法的计算费用是按某种数量级增长的,输入数据特别多。为了减少计算费用和输入数据,研究者们创立了有限条法。但目前的有限条法也有不足之,就是它只适用于简单边界条件、几何形状很规则的结构。因而大大地限制了有限条法的应用范围。作者试图克服平面问题中有限元法和有限条法的上述缺点,推导一种能与有限元法混合使用的有限条法。     

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有限单元法在航空航天领域中应用极其广泛．航空航天专业有限单元法课程应针对其课程特 点而开设,重构课程体系,注重理论联系实际,将教学重心从以往的理论教学转变为应用教 学．文中还给出了在航空航天结构有限单元法教学中应涉及的几个实例．     

单支开口薄壁梁屈曲分析的Riccati有限条传递矩阵法

针对单支开口薄壁梁屈曲问题,通过采用半解析有限条法推导薄壁梁的条元控制方程、传递矩阵基础形成单元传递方程、Riccati变换改善数值计算稳定性,提出了开口单支薄壁梁屈曲分析的Riccati有限条传递矩阵法。为了验证该方法的正确性与高效性,通过提出的Riccati有限条传递矩阵法和有限元法分析了一般支撑条件下两种不同截面形式的薄壁梁屈曲临界载荷与屈曲模态,计算发现两种方法的结果具有很好的一致性,且与传递矩阵法相比,Riccati有限条传递矩阵法数值稳定性好。因此,Riccati有限条传递矩阵法可计算广义边界条件的薄壁结构屈曲问题。     

解决有限条法偶联问题的一个方法

Y.K.Cheung 的有限条法,除 y 方向两端简支外,还有一个偶联问题。本文提出一个解决有限条法偶联问题的方法。计算结果表明,这个方法的效果很好。     

有限体积法在二维固体力学问题中的应用

推导了矩形单元的二维固体力学有限体积法公式，与解析解及有限元解进行了比较，讨论了有限体积法在非线性问题中的应用     

基于射线穿透法的GPU并行阶梯型有限差分网格生成算法

三维大规模有限差分网格生成技术是三维有限差分计算的基础,网格生成效率是三维有限差分网格生成的研究热点。传统的阶梯型有限差分网格生成方法主要有射线穿透法和切片法。本文在传统串行射线穿透法的基础上,提出了基于GPU （graphic processing unit）并行计算技术的并行阶梯型有限差分网格生成算法。并行算法应用基于分批次的数据传输策略,使得算法能够处理的数据规模不依赖于GPU内存大小,平衡了数据传输效率和网格生成规模之间的关系。为了减少数据传输量,本文提出的并行算法可以在GPU线程内部相互独立的生成射线起点坐标,进一步提高了并行算法的执行效率和并行化程度。通过数值试验的对比可以看出,并行算法的执行效率远远高于传统射线穿透法。最后,通过有限差分计算实例可以证实并行算法能够满足复杂模型大规模数值模拟的需求。     

用样条有限点法解圆柱壳的静力、动力和稳定问题

对于弹性薄板的静力、动力和稳定问题,文献[1][2]等已表明,利用样条有限点法比有限元法、有限条法及样条有限元法计算工作量少,而精度高,特别是解动力和稳定问题其优点更加显著。这种方法不但可应用于薄板问题,而且可应用于几乎与有限条法相同领域的所有问题,如厚板、夹层板、加筋板、圆柱壳、旋转壳体等问题。本文计     

样条有限点法分析板的几何非线性问题

1.引言对于板壳几何非线性问题,一般情况下,很难求得它的精确解,因此求解非线性问题数值解的各种近似方法便不断提出,其中一种途径就是运用Y.K.Cheung(张佑启)教授提出的有限条法。有限条法特别适用于具有一定规则形状的板壳结构(例如矩形板、圆柱形板、圆柱形壳、箱形桥梁以及折板结构等等)的线性与非线性分析。其解题规模比有限单元法大大缩小,而又保持了一定的通用性。在有限条法中,位移试函数用多项式与梁函数的乘积形式给出。     

矩形薄板屈曲分析的高阶有限条传递矩阵法

针对矩形薄板屈曲,基于基尔霍夫板理论,采用半解析有限条法和含有中间节线的高阶有限条法推导条元的控制方程。在此基础上,根据传递矩阵形成单元传递方程和系统传递矩阵,形成了分析薄板屈曲临界力和屈曲模态的矩形薄板屈曲分析的高阶有限条传递矩阵法。采用该方法分析了两种边界条件下四边受压矩形板的屈曲临界力,并与理论解和有限元解比较,实例证明该方法有效。此方法在有限条传递矩阵法的基础上可进一步提高计算精度。     

带源参数的二维热传导反问题的无网格方法

利用无网格有限点法求解带源参数的二维热传导反问题,推导了相应的离散方程. 与 其它基于网格的方法相比,有限点法采用移动最小二乘法构造形函数,只需要节点信息,不 需要划分网格,用配点法离散控制方程,可以直接施加边界条件,不需要在区域内部求积分. 用有限点法求解二维热传导反问题具有数值实现简单、计算量小、可以任意布置节点等优点. 最后通过算例验证了该方法的有效性.     

样条有限层法解厚板静力和动力问题

有限层法把三维问题化为一维问题,未知数大为减少,有利于小机子解题。文献[1]提出的有限层法,在层与层之间采用线性插值,这样在分界处仅保持位移连续,而应力不连续,导致计算精度下降。本文用样条有限层法,在z方向用三次样条函数逼近,在x,y方向用级数逼近,这样在整个域内不仅位移连续,而且应力连续,计算精度大为提高。     

基于非线性梁理论的有限质点法

有限质点法是以向量式力学为基础,用有限数量的质点来模拟结构的变形行为,质点的运动由牛顿运动定律来计算。在有限质点法中,质点通过构件相连,构件约束着质点的运动,并且其内力由质点的运动变量来描述。基于向量式力学的基本思想和非线性梁理论,提出了一种新的有限质点法,该方法在共旋单元坐标系中描述梁的非线性变形。以空间梁系结构为例,推导了计算构件内力的非线性公式,并考虑了弯扭耦合变形。通过两个连续欧拉角的变换公式得到共旋坐标系的旋转矩阵。与传统的有限质点法相比,本文提出的方法避免了刚体虚转动分析。通过四个结构的数值求解,验证了本文方法在计算结构大变形响应时具有较高的精度。     

DEM与FEM动态耦合算法研究

离散单元法作为一种有效的数值分析方法,能够模拟脆性材料的裂纹扩展及碎片飞散等破坏特性,但是无法从根本上克服计算效率低下的诟病;传统有限单元法具有计算高效稳定的优点,却难以描述脆性材料冲击破坏过程中连续体向非连续体的转化。本文首先提出一种基于罚函数法的改进型离散单元和有限单元耦合方法,以提高耦合分析精度。在此基础上提出了动态耦合算法:即在初始阶段,模型全部为有限单元,当局部即将发生破坏时,仅使即将发生破坏的有限单元及相邻单元自动转化为离散单元,在离散单元区域研究破坏问题。这种算法充分利用有限单元法计算高效的优点,同时最大限度克服了离散单元法计算效率的不足。最后,通过两个简单算例验证了改进型耦合算法和动态耦合算法的有效性。     

求解梁特定点变形的有限差分法(Ⅰ)

在材料力学中求解梁特定点的变形已有多种方法可供采用,如积分法、力矩-面积法、共轭梁法、能量法、叠加法、奇异函数法等,本文再补充一种方法——有限差分法,利用导出的有限差分形式的公式,直接计算特定点的变形,尤其对于变截面梁,例如阶梯轴,显得更简单和有效.     

固体力学中的统一分析梁与有限节线法

针对现有梁理论不能解决的杆状类工程结构构件和结构体系,本文提出了一种新的梁模型——统一分析梁与一种新的数值分析方法——有限节线法。利用统一分析梁和有限节线法不仅可以解决任意杆状类结构构件或结构体系的力学分析问题,而且当问题的性质与传统梁理论的前提条件一致时,会得出同样精度的解答。算例计算结果证明了统一分析梁的合理性与有限节线法的正确性。     

无穷域势流问题的有限元／差分线法混合求解

提出了一种将有限元和差分线法相结合求解无穷域势流问题的算法。用两同心圆将求解域划分为存在重叠的有限和无限两个区域,在有限和无限域上分别用有限元和差分线法求解Laplace方程边值问题。用差分线法推导出的关系式修正有限元方程,求解该方程组从而得到原问题的解。本算法将求解无穷域问题转化为代数特征值问题和有限域内线性方程组的...     

求解梁特定点变形的有限差分法(Ⅰ)

<正> 在材料力学中求解梁特定点的变形已有多种方法可供采用,如积分法、力矩-面积法、共轭梁法、能量法、叠加法、奇异函数法等,本文再补充一种方法——有限差分法,利用导出的有限差分形式的公式,直接计算特定点的变形,尤其对于变截面梁,例如阶梯轴,显得更简单和有效.     

有限单元法在超声导波检测技术中的应用

超声导波检测技术具有对波导结构中的缺陷进行远距离无损检测的能力,多年来一直是无损检测领域关注的热点之一.有限单元法具有对各种复杂动力学问题进行计算的能力,已成为超声导波检测技术研究的重要工具.本文结合超声导波检测技术研究领域中的热点问题,对相关的有限单元法进行了简要综述.介绍了有限单元法的发展及其在多物理场耦合机制下导波的激励与接收、线弹性和黏弹性结构中导波的传播特性、非线性超声导波等多个方面的应用研究情况. 最后,基于超声导波检测技术研究趋势展望了相关有限单元法的未来研究重点和发展方向.      

空间狭缝流道粘弹流体流动的有限柱解法

空间狭缝流道在粘弹性聚合物成型加工中较为常见.针对流道特点,仅仅在流动平面内对速度采用形函数插值,在厚度方向采用傅里叶级数逼近流动分布函数,推导弱解形式的单元方程后,通过坐标变换得到整体坐标下的有限元方程系数矩阵,再集合成整体系数矩阵,从而建立了空间狭缝流动的有限柱解法.分别采用有限柱法和三维有限元对积分型K-BKZ本构模型粘弹流体在L型流道的流动进行求解,发现有限柱法与三维有限元的结果在整体上十分吻合.出口处流量分布的误差小于2%,流量的结果仅仅在流道收敛处略有差异,但差异仅局限于很小的区域.相比与三维有限元方法,有限柱法的单元数、计算时间和对内存需求大大减少.研究表明有限柱法是一种分析狭缝流动的简便有效的方法.