基于赫林格?赖斯纳变分原理的一致高效无网格本质边界条件施加方法

无网格法具有高阶连续光滑的形函数, 在结构分析中呈现出显著的精度优势. 但无网格形函数在节点处一般没有插值性, 导致伽辽金无网格法难以直接施加本质边界条件. 采用变分一致尼兹法施加边界条件的数值解具有良好的收敛性和稳定性, 因而得到了非常广泛的应用, 然而该方法仍然需要引入人工参数来保证算法的稳定性. 本文以赫林格?赖斯纳变分原理为基础, 建立了一种变分一致的本质边界条件施加方法. 该方法采用混合离散近似赫林格?赖斯纳变分原理弱形式中的位移和应力, 其中位移采用传统无网格形函数进行离散, 而应力则在背景积分单元中近似为相应阶次的多项式. 此时的无网格离散方程可视为一种新型的尼兹法施加本质边界条件, 其中修正变分项采用再生光滑梯度和无网格形函数进行混合离散, 稳定项则内嵌于赫林格?赖斯纳变分原理弱形式中, 无需额外增加稳定项, 消除了对人工参数的依赖性. 该方法无需计算复杂耗时的形函数导数, 并满足积分约束条件, 保证了数值求解的精度. 数值结果表明, 所提方法能够保证伽辽金无网格法的计算精度最优误差收敛率, 与传统的尼兹法相比明显提高了计算效率.      

插值型维数分裂无网格法中本质边界条件施加方法研究

本文以求解三维波动方程为例,介绍了改进的插值型维数分裂无单元Galerkin方法,推导了方程的弱形式,构造了具有插值特性的逼近函数,建立了可直接施加本质边界条件的离散方程组,研究不同本质边界条件施加方法对计算结果的影响．本文列举了三种常用的处理本质边界条件的方法：直接配点法、对角元素置大数法和对角元素化一法．选取了三个数值算例,分别采用不同的本质边界条件施加方法,分析计算结果,证明了三种施加方法的有效性,讨论了每种施加方法的优缺点,并针对问题需求选出合适的施加本质边界条件的方法．与改进的无单元Galerkin方法相比,改进的插值型维数分裂无单元Galerkin方法具有更高的计算精度和更快的计算速度．     

基于拉格朗日插值的无网格直接配点法和稳定配点法

由于无网格法中大多数近似函数均为有理式,不具有Kronecker delta性质,因此难以精确地施加本质边界条件.边界误差较大容易导致整个求解域求解结果精度低,甚至引起数值不稳定现象.文章在无网格直接配点法和稳定配点法中引入拉格朗日插值函数作为形函数,构建了拉格朗日插值配点法(LICM)和拉格朗日插值稳定配点法(SLICM).由于拉格朗日插值具有Kronecker delta性质,可以像有限元法一样简单而精确地施加本质边界条件,提高这两种方法的数值求解精度.稳定配点法基于子域对强形式方程进行积分,可以满足高阶积分约束,即可以保证形函数在积分形式下也满足高阶一致性条件,实现精确积分.同时,进行子域积分还可以减少离散矩阵的条件数,从而提高算法的稳定性.进一步提高拉格朗日插值稳定配点法的精度和稳定性.通过数值算例验证这两种方法的精度、收敛性和稳定性,结果表明基于拉格朗日插值的配点法的精度优于基于重构核近似的配点法,拉格朗日插值稳定配点法的精度和稳定性均优于拉格朗日插值配点法.     

无单元Galerkin方法施加本质边界条件研究进展

无网格方法是一种基于节点离散问题域的数值方法,已在许多科学计算和工程领域中得到广泛应用.基于移动最小二乘(MLS)近似的全局弱形式无单元Galerkin方法具有计算简单、精确度高等优点,是最著名的无网格方法之一.但由于MLS方法所构造的形函数一般不具备Kronecker delta函数性质,离散所得到的代数方程组的未知量是节点参数而非节点函数值,因而本质边界条件不易施加.本文以弹性力学方程为例,首先简单回顾了构造形函数的MLS方法和无单元Galerkin方法的计算过程,然后从求解问题步骤的四个方面,即求解区域的划分、变分原理的修正、形函数的构造、离散代数方程组的建立,对目前已提出的数十种关于如何方便准确地施加本质边界条件的方法进行归纳总结,比较了这些方法的优缺点,最后提出了展望.     

复变量重构核粒子法与有限元法耦合解弹性力学问题

提出了弹性力学的复变量重构核粒子法与有限元法的耦合法(CVRKPM/FEM).采用场量耦合试函数法将弹性力学的复变量重构核粒子法与有限元法进行耦合,详细推导了在整个求解域上的耦合公式.最后通过数值算例证实了本文所提弹性力学的复变量重构核粒子法与有限元的耦合法的有效性.本文的耦合法不仅可以很方便地施加本质边界条件,而且可以充分利用无网格方法和有限元法的优势,弥补各自不足以提高计算效率.     

不可压缩N-S方程的稳定分步算法及耦合离散

在有限增量微积分(finite increment calculus, FIC)的理论框架下,通过引入一个附加变量,发展了压力稳定型分步算法,有效改善了经典 分步算法的压力稳定性,同时还避免了标准FIC方法中存在的空间高阶导数的计算. 为保证 数值方法同时具有较快的计算速度和较好的健壮性,发展了有限元与无网格的耦合空间离散 方法. 该方案可在网格发生扭曲的区域采用无网格法空间离散以保证求解的精度和稳定性, 而在网格质量较好的区域以及本质边界上保留使用有限元法空间离散以提高计算效率和便于 施加本质边界条件. 方腔流考题的数值模拟结果突出地显示了所发展的压力稳定型分步算 法比经典分步算法具有更好的压力稳定性,能够有效消除速度-压力插值空间违反LBB条件而 导致的压力场的虚假数值振荡. 平面Poisseuille流动和一个典型型腔充填过程的数值模拟 结果, 表明了发展的耦合离散方案相对于单一的有限元法和单一的无网格法在综合考虑计 算效率和算法健壮性方面的突出优点.     

Timoshenko梁谐响应求解新方法探索

在空间域上采用只与结点有关的无网格方法离散,在时间域上采用精细积分方法求 解. 无网格离散过程中,利用伽辽金积分等效弱形式代替微分形式的控制方程,并 用修正变分原理满足位移边界条件,采用移动最小二乘法求解离散的形函数,把形 函数代入等效积分弱形式得到离散的二阶方程;精细积分过程中非齐次项采 用Romberg积分. 同时给出了两种不同边界条件的谐响 应求解的两个数值算例,得到了精确的数值结果.     

局部彼得洛夫-伽辽金法分析各向异性板屈曲

基于Kirchhoff板理论和对挠度函数采用移动最小二乘近似函数进行插值，进一步研究无网格局部Petrov-Galerkin(MLPG)方法在各向异性板稳定问题中的应用．分析中，本质边界条件采用罚因子法施加，离散的特征值方程由板稳定控制方程的局部积分对称弱形式中得到．通过数值算例并与其他方法的结果进行比较，表明MLPG法求解各向异性薄板稳定问题具有收敛性好、精度高等一系列优点．     

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.     

无网格Galerkin法与非协调元方法的耦合

无网格Galerkin法(EFGM)处理不可压缩问题时不存在自锁现象，有限元方法(FEM)也常被用来与其耦合以方便地施加边界条件和提高计算效率。在有限元方法中使用等参元，EFGM与FEM的耦合方法在处理不可压缩问题时仍然存在自锁现象。本文在有限元方法中，采用非协调元，将无网格kGalerkin法与非协调元耦合，保留了耦合方法的优点，且避免了求解不可压缩问题时的自锁现象。算例显示本文方法在分析平面应变不可压缩问题时能得到合理的结果。     

A 3D shell-like approach using element-free Galerkin method for analysis of thin and thick plate structures

A new efficient meshless method based on the element-free Galerkin method is proposed to analyze the static deformation of thin and thick plate structures in this paper. Using the new 3D shell-like kinematics in analogy to the solid-shell concept of the finite element method, discretization is carried out by the nodes located on the upper and lower surfaces of the structures. The approximation of all unknown field variables is carried out by using the moving least squares (MLS) approximation scheme in the in-plane directions, while the linear interpolation is applied through the thickness direction. Thus, different boundary conditions are defined only using displacements and penalty method is used to enforce the essential boundary conditions. The constrained Galerkin weak form, which incorporates only displacement degrees of freedom (d.o.f.s), is derived. A modified 3D constitutive relationship is adopted in order to avoid or eliminate some self-locking effects. The numeric efficiency of the proposed meshless formulation is illustrated by the numeric examples.     

A homogenization theory of strain gradient single crystal plasticity and its finite element discretization

In this study, a homogenization theory based on the Gurtin strain gradient formulation and its finite element discretization are developed for investigating the size effects on macroscopic responses of periodic materials. To derive the homogenization equations consisting of the relation of macroscopic stress, the weak form of stress balance, and the weak form of microforce balance, the Y-periodicity is used as additional, as well as standard, boundary conditions at the boundary of a unit cell. Then, by applying a tangent modulus method, a set of finite element equations is obtained from the homogenization equations. The computational stability and efficiency of this finite element discretization are verified by analyzing a model composite. Furthermore, a model polycrystal is analyzed for investigating the grain size dependence of polycrystal plasticity. In this analysis, the micro-clamped, micro-free, and defect-free conditions are considered as the additional boundary conditions at grain boundaries, and their effects are discussed.     

求解固体力学问题的强?弱耦合形式单元微分法

单元微分法是一种新型强形式有限单元法. 与弱形式算法相比, 该算法直接对控制方程进行离散, 不需要用到数值积分. 因此该算法有较简单的形式, 并且其在计算系数矩阵时具有极高的效率. 但作为一种强形式算法, 单元微分法往往需要较多网格或者更高阶单元才能达到满意的计算精度. 与此同时, 对于一些包含奇异点的模型, 如在多材料界面、间断边界条件、裂纹尖端等处, 传统单元微分法往往得不到较精确的计算结果. 为了克服这些缺点, 本文提出了将伽辽金有限元法与单元微分法相结合的强?弱耦合算法, 即整体模型采用单元微分法的同时, 在奇异点附近或某些关键部件采用有限元法. 该策略在保留单元微分法高效率与简洁形式等优点的同时, 确保了求解奇异问题的精度. 在处理大规模问题时, 针对关键部件采用有限元法, 其他部件采用单元微分法, 可以在得到较精确结果的同时, 极大提高整体计算效率. 在本文中, 给出了两个典型算例, 一个是具有切口的二维问题, 一个是复杂的三维发动机问题. 针对这两个问题, 分析了该耦合算法在求二维奇异问题和三维大规模问题时的精度与效率.      

弱连续条件下的九参三角形板元

首先对薄板弯曲平衡方程的弱形式进行了推导,导出保证单元收敛的弱协调条件,即三角形顶点函数值连续和三边的法向导数积分连续这两个条件;对比拟协调元、广义协调元和双参数法中所使用的3个积分连续条件,本条件更弱;再对这3个积分协调条件的构成方法进行了总结和分析,现有采用积分连续条件构造的有限元大都采用了这些构成方法.采用弱协调条件构造有限元,比原来的构造范围更广,井以此构造出几种单元作为算例.采用这种构成法还可构造多种单元,它们都具有采用最小势能原理法构成有限元的简便的优点,并在任意网格下收敛到真解.     

几何精确NURBS有限元中边界条件施加方式对精度影响的三维计算分析

非均匀有理B样条(NURBS)有限元法把计算机辅助几何设计(CAGD)中的NURBS几何构形方法与有限元方法有机结合起来,有效消除了有限元离散模型的几何误差,提高了计算精度。但是由于NURBS基函数不是插值函数,直接在控制节点上施加位移边界条件会引起较大误差。本文详细讨论了NURBS基函数的插值特性,在NURBS有限元分析中采用罚函数法施加位移边界条件,提高了收敛率和计算精度。结合典型三维弹性力学问题,对两种施加位移边界条件的方法进行了对比和分析。计算结果表明,直接施加位移边界条件会导致收敛率和精度的明显降低,而基于罚函数法的NURBS有限元分析则能达到最优收敛率,并具有更高的精度。     

Finite Difference Method for the Acoustic Radiation of an Elastic Plate Excited by a Turbulent Boundary Layer: A Spectral Domain Solution

A finite difference method is developed to study, on a two-dimensional model, the acoustic pressure radiated when a thin elastic plate, clamped at its boundaries, is excited by a turbulent boundary layer. Consider a homogeneous thin elastic plate clamped at its boundaries and extended to infinity by a plane, perfectly rigid, baffle. This plate closes a rectangular cavity. Both the cavity and the outside domain contain a perfect fluid. The fluid in the cavity is at rest. The fluid in the outside domain moves in the direction parallel to the system plate/baffle with a constant speed. A turbulent boundary layer develops at the interface baffle/plate. The wall pressure fluctuations in this boundary layer generates a vibration of the plate and an acoustic radiation in the two fluid domains. Modeling the wall pressure fluctuations spectrum in a turbulent boundary layer developed over a vibrating surface is a very complex and unresolved task. Ducan and Sirkis [1] proposed a model for the two-way interactions between a membrane and a turbulent flow of fluid. The excitation of the membrane is modeled by a potential flow randomly perturbed. This potential flow is modified by the displacement of the membrane. Howe [2] proposed a model for the turbulent wall pressure fluctuations power spectrum over an elastomeric material. The model presented in this article is based on a hypothesis of one-way interaction between the flow and the structure: the flow generates wall pressure fluctuations which are at the origin of the vibration of the plate, but the vibration of the plate does not modify the characteristics of the flow. A finite difference scheme that incorporates the vibration of the plate and the acoustic pressure inside the fluid cavity has been developed and coupled with a boundary element method that ensures the outside domain coupling. In this paper, we focus on the resolution of the coupled vibration/interior acoustic problem. We compare the results obtained with three numerical methods: (a) a finite difference representation for both the plate displacement and the acoustic pressure inside the cavity; (b) a coupled method involving a finite difference representation for the displacement of the plate and a boundary element method for the interior acoustic pressure; (c) a boundary element method for both the vibration of the plate and the interior acoustic pressure. A comparison of the numerical results obtained with two models of turbulent wall pressure fluctuations spectrums - the Corcos model [3] and the Chase model [4] - is proposed. A difference of 20 dB is found in the vibro-acoustic response of the structure. In [3], this difference is explained by calculating a wavenumber transfer function of the plate. In [6], coupled beam-cavity modes for similar geometry are calculated by the finite difference method. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

几何非线性分析的高效高阶无网格法

准确高效地处理几何非线性对于材料破坏等大变形过程的数值分析至关重要。考虑到无网格法具有易于形成高阶近似函数等诸多优点,本文发展了几何非线性分析的高阶无网格法。采用上一载荷步收敛的构形作为计算的参考构形,位移本质边界条件由罚函数法施加。为提高计算效率,将针对线性问题发展的二阶一致三点积分格式QC3（Quadratically Consistent 3-point integration scheme）拓展到考虑构形变化的几何非线性分析,大幅度减少了所需的积分点数目。数值结果表明,本文发展的高阶无网格法能够准确有效地处理几何非线性问题,而且在计算效率、精度以及应力场光滑性等方面均表现出显著优势。     

基于流形覆盖思想的无网格方法的研究

本语言基于流形思想,利用有限覆盖,单位分解等概念,引入建立在覆盖上的覆盖函数和具有紧支撑特性的单位分解函数,建立场逼近的近似表达,由弱形式的Galerkin变分得到数值分析模型,结合边界条件用于边值问题的求解,由此建立了一类新的无网格数值方法,论文采用这种方法分析了平面弹性问题,分析了体积闭锁现象,h、p型收敛性等,提出了一种选择覆盖大小的方案,且对狭长城采用了椭圆覆盖形式,取得了比较好的效果。