基于比例边界有限元法计算应力强度因子的不确定量化分析

应力强度因子是预测荷载作用下结构中裂纹产生和扩展的重要参数。半解析的比例边界有限元法结合了有限元和边界元法的优势,在裂纹尖端或存在奇异应力的区域不需要局部网格细化,可以直接提取应力强度因子。在比例边界有限元法计算应力强度因子的框架下,引入随机参数进行蒙特卡罗模拟(Monte Carlo simulation, MCS),并提出一种新颖的基于MCS的不确定量化分析。与直接的MCS不同,采用奇异值分解构造低阶的子空间,降低系统的自由度,并使用径向基函数对子空间进行近似,通过子空间的线性组合获得新的结构响应,实现基于MCS的快速不确定量化分析。考虑不同荷载状况下,结构形状参数和材料属性参数对应力强度因子的影响,使用改进的MCS计算应力强度因子的统计特征,量化不确定参数对结构的影响。最后通过若干算例验证了该算法的准确性和有效性。

Lagrange三角形单位分解有限元法的最优误差分析

用构造最优局部逼近空间的方法对Lagrange型三角形单位分解有限元法进行了最优误差分析.单位分解取Lagrange三角形元上的线性基函数,构造了一个特殊的局部多项式逼近空间,给出了具有2阶再生性的Lagrange三角形单位分解有限元插值格式,从而得到了高于局部逼近阶的最优插值误差.

固体中短波传播单位分解有限元法的解析积分

针对固体中短波传播数值模拟的单位分解有限元法中单元矩阵积分的被积函数的强烈振荡特性,应用直角坐标系下标准有限元形函数和单元内的波动方向知识提出了一种单元矩阵的解析积分方案。它对于平面三,六,四,八和九节点的直边单位分解有限单元是完全解析的,对于与这些单元相应的曲边单元则是半解析的。数值结果显示所提出的积分方案在计算效率上比高斯-勒让德积分有大幅度提高。

基于拓展单位分解有限元法分析声波在多域场内的响应

基于拓展单位分解有限元方法,将平面波函数和贝塞尔函数作为基函数进行拓展。将亥姆霍兹方程离散,求解时不变情况下多域场内声波的响应,并分析基函数对求解精度的影响。将波动方程的时间导数利用二阶中心差分方法离散,得到方程的隐式表达式,划分时间步迭代求解时变情况下声波在多域场内的响应,分析迭代时间间隔对计算精度的影响,与典型算例的精确解进行比较,验证精确性。结果表明,平面波函数作为拓展基函数,利用二阶中心差分法离散时间导数,分析时不变以及时变情况下多域场内高波数声波的响应问题,具有较高的计算精度和计算效率。

基于POD有限元法的粘滞声波方程震源波场重构

叠前逆时偏移是地震勘探中一种流行的地下结构成像方法,其成像条件需要同时刻的震源波场值与检波器波场值.这在实际计算中就需要把正演模拟的所有时刻的震源波场数据全部存储下来,存储需求大.虽然震源波场重构技术可以降低对于波场数据的存储需求,但会引入额外的计算复杂度.为解决这个问题,本文提出了POD有限元法,并将其应用于粘滞震源波场重构.这里的本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)方法是一种降维方法,能够在降低数据量的同时提供足够的计算精度.数值算例显示,该方法比传统的有限元法更节省存储空间,能够加快重构速度.

基于分解法的最大熵随机有限元法

提出了一种新的基于分解法的最大熵随机有限元方法,利用单变量分解将多维随机响应函数表述为单维随机响应函数的组合形式,从而将求解随机结构响应统计矩的多维积分表达式转化为单维积分式,对单维积分采用高斯-埃尔米特积分格式求解。在获得结构响应的统计矩之后,利用最大熵原理求得结构响应的概率密度函数解析表达式。该法不涉及求导运算,对于非线性随机问题非常适用。算例结果表明,该方法具有较好的精度与计算效率。

不确定声场分析的区间矩阵分解摄动有限元法

针对修正一阶区间摄动有限元法存在的一阶Taylor展开误差较大和求解摄动逆矩阵时计算效率不高的缺陷,提出区间矩阵分解摄动有限元法(Decomposed interval matrix perturbation finite element method,DIMPFEM)。该方法将系统动态刚度矩阵分解为若干系统子矩阵之和,每个系统子矩阵的摄动矩阵用摄动因子和常量矩阵的乘积表示,避免了摄动矩阵的Taylor展开误差;采用Epsilon算法求解摄动逆矩阵的修正Neumann级数,有效提高了计算效率。将DIMPFEM应用于具有区间参数的二维管道和二维商务车声腔模型的声压响应分析,分析结果表明,与修正一阶区间摄动有限元法比较,DIMPFEM获得了更高的计算精度和计算效率。

有限元法、无单元法及自然单元法之比较研究

无单元法与有限元法的根本区别在于形函数的构造方法不同,因而得到的形函数形式也不同,但可统一于单位分解。另外,采用Galerkin法对偏微分方程求解时需要对弱形式在求解域内积分,研究表明有限元法和无单元法中对弱形式的积分可统一于单位分解积分方法。无单元法解决了有限元法中前处理复杂以及难以有效处理的诸如裂纹扩展和大变形等问题;然而自身也存在着计算量大、边界条件和不连续的场变量及其导数处理上的困难。自然单元法是新近出现的一种求解PDE的数值方法,它兼有无单元的特性和有限元的优点,可以认为是介于两者之间的一种极具发展前途的数值方法。

扩展有限元法及与其它数值方法的联系

对扩展有限元方法(XFEM)的发展及其与其他数值方法的联系进行了综述。该文主要包括以下内容:首先对无网格法的发展背景和历程进行了介绍,并从近似位移场构造的角度对众多的无网格法进行了比较分析;从单位分解理论的形式出发,阐述了XFEM的特点及其与传统有限元法、无网格方法的联系;归纳了关于XFEM的应用研究及其自身理论发展的主要研究方向,并对XFEM的发展进行了展望。

过孔转换信号完整性分析的区域分解有限元法

提出了一种基于区域分解的二维有限元法分析多层印制电路板电源/地平面中过孔转换结构的信号完整性.过孔电流产生的电磁场呈三维结构,其中,一部分电磁波沿过孔轴向传输,另一部分电磁波在电源/地平面间沿径向传播.采用一虚拟柱面将求解区域分割为过孔区和电源/地平面区.将过孔区建模为以周向磁场为主分量的二维轴对称问题,而将电源/地平面区建为以垂直电场为主分量的二维模型.首先求解电源/地平面区的二维边值问题获得分割边界上节点的波阻抗,然后将该波阻抗代入过孔区模型中分割边界节点的边界条件,从而计算出过孔信号传输的S参数.所提方法通过模型缩减可实现对微细过孔结构信号完整性的精确快速计算,且采用全波电磁场分析软件对算法的有效性和准确性进行了验证.

基于ABAQUS平台的扩展有限元法

以ABAQUS为平台,提出了一种预设虚节点法,首次在通用有限元程序上嵌入了扩展有限元法的功能。推导了扩展有限元法中的子域积分同Heaviside函数的关系,并改进了一种三角形子域积分算法。对三点弯梁的开裂过程进行了模拟。计算结果表明,扩展有限元法对非连续位移场的表达不依赖于单元边界,是一种模拟裂纹扩展过程等涉及移动非连续问题的有效方法。与通用有限元软件的结合则为应用该方法解决实际复杂问题提供了方便的途径。

直接计算应力强度因子的扩展有限元法

系统地给出了直接计算应力强度因子的扩展有限元法。该方法以常规有限元法为基础,利用单位分解法思想,通过在近似位移表达式中增加能够反映裂纹面的不连续函数及反映裂尖局部特性的裂尖渐进位移场函数,间接体现裂纹面的存在,从而无需使裂纹面与有限元网格一致,无需在裂尖布置高密度网格,也不需要后处理就可以直接计算出应力强度因子,并且大大简化了前后处理工作。最后通过两个简单算例验证了该方法的精度,分析了影响计算结果的因素,并与采用J积分计算的应力强度因子作了对比,得出了两种方法计算精度相当的结论。

非重叠Mortar有限元法及其并行计算在静电场问题中的应用

采用Mortar有限单元法(mortar finite element method,MFEM)能够得到正定、对称的系数矩阵,而且刚度矩阵是分块对称的,这种特点适合于并行迭代求解。阐述了非重叠Mortar有限单元法(non-overlapping MFEM,NO-MFEM)的基本原理,介绍了适合于NO-MFEM并行计算的区域分解策略以及并行求解的基本流程。针对简单2维静电场问题,使用NO-MFEM进行了并行计算,并与理论值和串行计算结果进行对比,验证了所提方法的有效性。同时,对于非协调网格造成的计算误差进行了分析。NO-MFEM法的并行计算为工程应用中优化设计问题的区域分解和并行求解提供了一种新的选择。

基于单位分解的新型有限元方法研究

本文对基于单位分解概念的新型有限元方法具有一些新的特点进行了研究。这些新的特点包括自由度全部定义在单元顶点上 ,不同于传统的非协调和协调 P型有限元方法自由度主要定义在单位区域内 ,因此很便于 P型方法的实施 ;网格畸变度对解的不敏感性较传统有限元有了很大改进。此外 ,Dirichlet边界条件的处理与有限元是完全相同的 ,非常便利。论文分析了几个平面弹性问题 :R.L .Tayor高阶分片试验和受拉弯剪切的平面悬臂梁 ,Cook悬臂 T形板等 ,得到了满意的数值结果。

基于单元分解的结构断裂扩展有限元法

研究并提出了一种基于单元分解的扩展有限元方法,并将其用于求解结构断裂问题。首先,将不含加强节点的四边形单元剖分为四个三角形子域,通过加权平均获得单元中心处局部应变值;其次,基于三角形子域局部应变进一步构造单元刚度矩阵稳定项。最后,将该单元分解法应用到扩展有限元法的分析中。与传统扩展有限元方法相比,该方法可有效减少积分点数量、避免复杂等参变换且能保证裂纹尖端应力强度因子的求解精度。

重叠型非匹配网格抛物型方程的有限元法及收敛性分析

基于单位分解技术,本文介绍了重叠型非匹配网格抛物型方程初边值问题的有限元方法,分别给出了半离散有限元、全离散有限元格式和收敛性分析的结果,并给出了数值例子.

基于有限元法的输流管道系统非线性振动研究

输流管道的横向振动是造成管道破坏的主要原因.首先建立了输流管道系统的横向振动有限元方程,给出了四种不同的边界约束条件.应用振型分解法进行了系统的模态分析,分别求解了振动系统在无阻尼和有阻尼情况下的固有频率和固有振型.采用Newmark法求解了系统的响应.研究了管道跨距、流体流速、流体压强、流体流速扰动、流体压强扰动等系统参数对振动系统的模态和响应的影响,为输流管道系统的减振研究提供了理论支持.

自然单元法与有限元法和无单元法的比较

为了分析自然单元法的特点,进行了自然单元法与有限元法、无单元法的比较,介绍了自然单元法的基本原理,即基于点集的Voronoi图及其对偶Delaunay三角剖分,以自然邻节点为插值试函数,构建平衡方程进行求解。剖析了3种方法的基本性质,说明自然单元法、有限元法和无单元法均具有单位分解条件。认为自然单元法是一种无网格方法,其形函数构造简单,能与有限元法一样直接施加本质边界条件,可以求解有限元法较难处理的裂纹扩展和大变形等问题。

扩展有限元法计算裂纹问题的研究

指出扩展有限元法是近几年发展起来的一种计算方法,在计算裂纹问题中有着独到的优势,介绍了扩展有限元法的理论来源与发展概况,对单位分解法进行了详细阐述,并对改进函数与改进节点的选择等关键技术进行研究,为相关研究提供参考。

一维三次单位分解有限元插值的最优误差估计

推导了一维三次单位分解有限元插值的最优阶误差。用标准的分片线性有限元基函数作单位分解,根据相容性和局部逼近性构造了一个特殊的局部多项式逼近空间,从而得到了具有3阶再生性的单位分解有限元插值格式;再应用Taylor展开及平均多项式插值理论推导插值误差估计。结果表明,误差估计阶比局部逼近阶要高,因而是最优的。