奇异边界法:一个新的、简单、无网格、边界配点数值方法

物理力学控制方程的基本解有源点奇异性.因而,传统的观点认为奇异基本解一般不能用做控制方程数值解的基函数;除非源点布置在物理域以外的虚假边界上,与物理边界上的配点分离.后者就是近年来受到广泛关注的基本解方法的基本思路.与这些传统方法不同,文中直接使用基本解做为插值基函数,且源点和配点是同一组物理边界上的离散点.本项工作的一个基本假设是源点奇异时的源点强度因子的存在性.利用待求问题控制方程的已知简单解,提出了一个计算源点强度因子的数值方法,并发现源点强度因子确实存在,且是一个有限值,其大小依赖于边界离散点的分布和边界条件类型.由此,文中提出了一个计算微分方程问题的新数值方法,称为奇异边界方法.该方法数学简单,编程容易,是一个真正的无网格方法.初步数值试验显示该方法精度高,收敛速度快.但有关该方法的数学物理基础还不是十分清楚.     

改进的奇异边界法模拟三维位势问题

奇异边界法是与基本解法相对应的一种边界型无网格数值离散方法. 该方法提出了源点强度因子的概念, 克服了传统基本解方法中最复杂最头疼的虚拟边界问题.基于边界元法中处理奇异积分的数值处理技术, 导出了源点强度因子的解析表达式, 提出了改进的无网格奇异边界法, 并进一步将该方法应用于三维位势问题. 该方法消除了传统方法中样本点的选取, 在不增加计算量的前提下, 极大地提高了奇异边界法的计算精度与稳定性.      

奇异边界法模拟二维弹性力学问题

奇异边界法是一种新的边界型无网格数值离散方法。该方法使用基本解作为插值基函数,在继承传统边界型方法优点的同时,不需要费时费力的网格划分和奇异积分,数学简单,编程容易,是一个真正的无网格方法。为避免配置点与插值源点重合时带来的基本解源点奇异性,该方法提出了源点强度因子的概念,从而将边界型强格式方法的核心归结为求解源点强度因子。本文首次将该方法应用于求解平面弹性力学问题。数值算例表明,本文算法稳定,效率高,并可达到很高的计算精度。     

梯度材料中矩形裂纹的对偶边界元方法分析

采用对偶边界元方法分析了梯度材料中的矩形裂纹. 该方法基于层状材料基本解,以非裂纹边界的位移和面力以及裂纹面的间断位移作为未知量. 位移边界积分方程的源点配置在非裂纹边界上,面力边界积分方程的源点配置在裂纹面上. 发展了边界积分方程中不同类型奇异积分的数值方法. 借助层状材料基本解,采用分层方法逼近梯度材料夹层沿厚度方向力学参数的变化. 与均匀介质中矩形裂纹的数值解对比,建议方法可以获得高精度的计算结果. 最后,分析了梯度材料中均匀张应力作用下矩形裂纹的应力强度因子,讨论了梯度材料非均匀参数、夹层厚度和裂纹与夹层之间相对位置对应力强度因子的影响.      

一种基于直接计算高阶奇异积分的断裂力学双边界积分方程分析法

相对于有限元法,边界单元法在求解断裂问题上有着独特的优势,现有的边界单元法中主要有子区域法和双边界积分方程法.采用一种改进的双边界积分方程法求解二维、三维断裂问题的应力强度因子,对非裂纹边界采用传统的位移边界积分方程,只需对裂纹面中的一面采用面力边界积分方程,并以裂纹间断位移为未知量直接用于计算应力强度因子.采用一种高阶奇异积分的直接法计算面力边界积分方程中的超强奇异积分;对于裂纹尖端单元,提供了三种不同形式的间断位移插值函数,采用两点公式计算应力强度因子.给出了多个具体的算例,与现存的精确解或参考解对比,可得到高精度的计算结果.      

双调和方程奇异边界法的改进及在Kirchhoff板弯曲中的应用

奇异边界法(SBM)是一种基于边界离散的无网格数值方法,在很多科学计算和工程领域中得到广泛的应用．该方法在处理复杂几何区域或者多连通区域时比基本解方法(MFS)数值计算更为稳定,具有易于实施、精度高等优点．SBM数值计算的关键之处在于源强度因子的计算,特别是相对于Laplace方程更为复杂的双调和方程的边界条件下源强度因子的计算．在高阶导数边界条件下,采用反插或者“加减项”原理计算源强度因子相对繁琐．本文对双调和方程的SBM进行了改进,将其中一个插值基函数改进为非奇异基函数形式,避免计算该基函数的源强度因子,极大简化了SBM的数值计算．本文改进对MFS同样有效,可以作为对传统MFS数值算法的补充．数值算例结果表明,本文提出的改进均能得到误差很小的数值解,且算法稳定,计算效率较高．     

导数场边界积分方程分析近边界应力分布

研究二维弹性力学问题边界积分方程,通过分部积分变换消除了常规导数边界积分方程中的超奇异积分,获得仅含强奇异积分的应力自然边界积分方程.对于近边界应力的计算,进一步运用正则化算法解析计算其中的几乎强奇异积分.较常规边界元法相比,应力自然边界积分方程可以求解离边界更加接近的内点应力值.算例证明了文中方法的可应用性和有效性.     

含裂纹粘接结构的边界元应力分析

本文采用子域法和直接应力奇异单元法求解二维粘接结构中的裂纹问题。子域法把粘接结构划分为三个子域,根据每个子域的边界积分方程和子域间的界面条件,可以建立粘接结构的边界积分方程组。直接应力奇异单元能够在整个单元长度上反映裂纹端部的1/r~(1/2)奇异性,在计算时可以通过坐标变换消除奇异单元积分中的奇异性,直接计算出应力强度因子。含裂纹多层结构的数值示例和粘接补强单边裂纹板的应力测试和疲劳试验结果证实了本文方法的有效性。     

各向异性位势平面问题的规则化边界元法

基于转化域方程为边界积分方程的极限定理及一个新颖的基本解分解技术, 建立间接变量规则化边界积分方程, 它有效地避免了奇异积分的直接计算. 与已有方法比,该方法不将问题变换为各向同性的问题去处理, 因而无需反演运算, 也有别于Galerkin方法, 无需计算重积分. 可计算任意边界位势梯度, 而不仅限于法向通量. 针对椭圆边界的边值问题, 提交一种精确单元来描述边界几何. 数值算例表明, 所提算法稳定且效率高, 所得数值结果与精确解吻合较好.      

弹性力学中一种新的边界轮廓法

利用基本解的特性,将面力积分方程化成仅含有Ｃａｕｃｈｙ主值积分的形式,基于这种边界积分方程,提出了一种新的边界轮廓法,对于三维问题,该方法只须计算沿边界单元界线的线积分,对二维问题,则只需计算边界单元两点的热函数之差,无须进行数值积分计算,实例计算说明该方法是有效的。     

NUMERICAL SIMULATION OF SHALLOW WATER WAVE PROPAGATION USING A BOUNDARY ELEMENT WAVE EQUATION MODEL

The present paper makes use of a wave equation formulation of the primitive shallow water equations to simulate one-dimensional free surface flow. A numerical formulation of the boundary element method is then developed to solve the wave continuity equation using a time-dependent fundamental solution, while an explicit finite difference scheme is used to derive velocities from the primitive momentum equation. One-dimensional free surface flows in open channels are treated and the results compared with analytical and numerical solutions. © 1997 John Wiley & Sons, Ltd.     

Singular boundary method for 2D dynamic poroelastic problems

This paper extends a strong-form meshless boundary collocation method, named the singular boundary method (SBM), for the solution of dynamic poroelastic problems in the frequency domain, which is governed by Biot equations in the form of mixed displacement–pressure formulation. The solutions to problems are represented by using the fundamental solutions of the governing equations in the SBM formulations. To isolate the singularities of the fundamental solutions, the SBM uses the concept of the origin intensity factors to allow the source points to be placed on the physical boundary coinciding with collocation points, which avoids the auxiliary boundary issue of the method of fundamental solutions (MFS). Combining with the origin intensity factors of Laplace and plane strain elastostatic problems, this study derives the SBM formulations for poroelastic problems. Five examples for 2D poroelastic problems are examined to demonstrate the efficiency and accuracy of the present method. In particular, we test the SBM to the multiply connected domain problem, the multilayer problem and the poroelastic problem with corner stress singularities, which are all under varied ranges of frequencies.     

Singular boundary method for solving plane strain elastostatic problems

This study documents the first attempt to apply the singular boundary method (SBM), a novel boundary only collocation method, to two-dimensional (2D) elasticity problems. Unlike the method of fundamental solutions (MFS), the source points coincide with the collocation points on the physical boundary by using an inverse interpolation technique to regularize the singularity of the fundamental solution of the equation governing the problems of interest. Three benchmark elasticity problems are tested to demonstrate the feasibility and accuracy of the proposed method through detailed comparisons with the MFS, boundary element method (BEM), and finite element method (FEM).     

一种处理弹性动力边界元法中奇异积分的方法

利用边界元法求解瞬态弹性动力学问题时,时域基本解函数的分段连续性和奇异性为该问题的求解带来很大的困难。为了解决时域基本解中的奇异性问题,本文依据柯西主值的定义,对经过时间解析积分之后的时域基本解进行奇异值分解,将其分成奇异和正则积分两部分;其中正则部分可通过采用常规高斯积分方法来计算,而奇异部分具有简单的形式,可以利用解析积分计算。经过上述操作之后,就可以达到直接消除时域基本解中奇异积分的目的。和传统方法相比,本文方法并不依赖静力学基本解来消除奇异性,是一种直接求解方法。最后给定两个数值算例来验证本文提出方法的正确性和可行性,结果表明使用本文算法可以解决弹性动力学边界积分方程中的奇异性问题。     

The influence of elastic waves on dynamic stress intensity factors (two-dimensional problems)

Summary In this paper, an indirect boundary integral equation method for the solution of dynamic crack problems is presented. The Laplace transform method is used to derive the fundamental solutions for the opening mode (mode I) and the sliding mode (mode II) displacement discontinuity. Accurate dynamic stress intensity factorsK _N (t) (N=I,II) resulting from different time-dependent loads on the crack surface are obtained. The specific influences of the various elastic waves on the stress intensity factors can be clearly seen from the results.On leave Central-South University of Technology Changsha, P.R. China     

加权残数配点法解正交各向异性板的积分方程

本文推导了一般各向异性板弯曲的积分方程,运用加权残数配点法求解了正交各向异性板弯曲的积发方程,本文将部分配点取在边界上,另一部分配点取在域外,只用关于找度的基本积分方程,而不用关于转角的补充积分方程,简化了方程求解和计算程序,由于正交各向异性板没有争析形式的、实用的基本解,本文提出了两种新的近似基本解;加权双三角级数;广义各向同性板解析形式的基本解和加权双三角级数的叠加,算例表明,本文提出的解法和近似基本解适用于各类边界条件的正交各向异性板,具有简单、可靠、精度高等优点。     

A boundary element method for small-amplitude viscous fluid sloshing in couple with structural vibration

A boundary element method is presented for the coupled motion analysis of structural vibration with small-amplitude fluid sloshing in two-dimensional space. The linearized Navier-Stokes equations are considered in frequency domain and transformed into boundary integral equations. An appropriate fundamental solution for the Helmholtz equation with pure imaginary constant is found. The condition of zero-stress is imposed on the free surface, and non-slip condition of fluid particles is imposed on the walls of the container. For rigid motion models, the expressions for added mass and added damping to the structural motion equations are obtained. Some typical numerical examples are presented.     

Natural convection in porous media—dual reciprocity boundary element method solution of the Darcy model

This paper describes the solution of a steady state natural convection problem in porous media by the dual reciprocity boundary element method (DRBEM). The boundary element method (BEM) for the coupled set of mass, momentum, and energy equations in two dimensions is structured by the fundamental solution of the Laplace equation. The dual reciprocity method is based on augmented scaled thin plate splines. Numerical examples include convergence studies with different mesh size, uniform and non‐uniform mesh arrangement, and constant and linear boundary field discretizations for differentially heated rectangular cavity problems at filtration with Rayleigh numbers of Ra*=25, 50, and 100 and aspect ratios of A=1/2, 1, and 2. The solution is assessed by comparison with reference results of the fine mesh finite volume method (FVM). Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.