二维声学数值计算的径向插值有限元法

针对声学有限元分析中四节点等参单元计算精度低,对网格质量敏感的问题,将无网格径向插值技术引入到标准有限元中,构造径向插值形函数,推导径向插值有限元法(Radial interpolation finite element method,RIFEM)的二维声学数值计算公式。二维声学RIFEM采用标准有限元法形函数构造系统离散方程的声学刚度矩阵和边界积分矢量,保证了声压梯度和边界条件在区域边界的积分精度;采用径向插值形函数构造系统离散方程的质量矩阵,提高了声压数值近似函数的插值精度。对管道二维声腔模型和某轿车二维声腔模型的数值分析结果表明,与标准有限元法和SFEM相比,RIFEM的计算精度更高,对波数、单元尺寸和网格扭曲程度的灵敏度更低。因此RIFEM可以很好地应用于二维声学数值分析,具有广阔的工程应用前景。

极限下限分析的区域光滑径向点插值法

极限分析的高效数值计算方法在结构设计和安全评定中具有非常重要的作用.为了更加有效地求解极限分析问题,将区域光滑径向点插值法与二阶锥规划相结合,提出了理想弹塑性结构极限下限分析的一种新方法.将问题域离散为简单的三角形背景单元,每个单元进一步划分成若干个光滑域.为了将复杂的域积分转化为简单的边界积分,并且避免计算形函数的导数,采用广义梯度光滑技术对每个光滑域进行应变光滑处理.由于径向点插值法构造的形函数满足Kronecker delta性质,本质边界条件可以直接施加.依据下限定理,在满足以等效积分弱形式表达的自平衡应力场平衡条件的基础上,用二阶锥规划成功构建了极限分析下限法的计算模型,从而可方便地通过基于原始-对偶内点法的数学规划求解器MOSEK直接求解该问题.数值算例结果表明,本文所提方法有效地克服了维数障碍问题,具有较高的计算精度,并且计算结果对网格畸变十分不敏感.

二维水下声辐射问题的改进径向基点插值法研究

径向基点插值法是一种典型的无网格数值计算方法,在分析声学问题时,相比于传统有限元法能更好地抑制频散误差,且在相同的节点分布下通常可以得到更精确的数值解。本文提出一种改进的节点选取方案用于构造插值形函数,即改进径向基点插值法。该方案采取一个简单而直接的格式,可确保在进行数值积分时同一背景积分单元中的被积函数是连续可微的,从而减小数值积分误差,得到比原始径向基点插值法更精确的数值解。同时,为了处理外声场问题,本文采用DtN映射技术将无限域截断为有界计算域,满足索默菲尔德辐射条件。数值试验表明,相比于传统有限元法和原始径向基点插值法,本文改进方法具有更高的计算精度和计算效率,在研究水下声辐射问题时具有良好的应用前景。

有限覆盖径向点插值方法理论及其应用

数值流形方法能够统一地处理连续与非连续变形问题,有限覆盖技术是这种方法的核心。无网格方法前处理过程比较简单,径向点插值法是其中的一种计算格式。本文将有限覆盖技术与径向点插值方法相结合发展了有限覆盖径向点插值无网格方法,综合了数值流形方法与点插值方法的各自优点,能够有效地处理连续与非连续性问题,由此所构造的形函数具有Kronecker δ-函数属性,能够有效地处理位移边界条件。本文在阐述了这种方法基本原理的基础上,通过算例分析与数值计算论证了本文所建议方法的可靠性及其有效性。

基于径向基函数插值的船体曲面修改方法研究

将船体曲面的NURBS表达与径向基函数插值技术相结合,实现了船体曲面的三维自动变形。重点阐述了径向基函数插值技术的基本原理及其应用于船体曲面变形的过程。最后,以国际标模KCS船为例完成了船艏、艉部曲面的自动变形。研究结果表明:基于径向基函数插值技术的船体曲面修改方法适用于船型优化,符合工程实际的需要。

有限覆盖径向点插值法及其在土工问题中的应用

将有限覆盖技术与径向点插值方法相结合发展了有限覆盖径向点插值无网格方法,从而综合了数值流形方法与点插值方法的各自优点,能够有效地处理连续与非连续性问题。用该方法构造的形函数具有Kroneckerδ-函数属性,方便了位移边界条件的处理。在简要阐述了这种方法基本原理的基础上,将该方法用用于地基附加应力计算分析,结果证明本文方法精度高,方法简单有效。

基于结构风险最小化的径向基插值

分析了径向基插值代理模型的特点,为了提高代理模型的推广能力,引入了结构风险最小化基本原理;指出基函数满足Mercer条件的径向基插值代理模型,本质上也是一类高维分类超平面;文中推导了径向基插值的VC维度与构成径向基插值函数的常数项的导数关系,为此提出了基于结构风险最小化的径向基插值。最后若干函数测试表明基于结构风险最小化的径向基插值提高了代理模型的推广能力。

基于径向基插值的曲面变形方法在船型多目标优化中的应用

在船体型线优化中,精确有效的船体曲面表达和变形技术在优化中起着重要的作用,文中研究基于径向基插值的曲面变形方法在船型多目标优化中的应用,采用基于径向基插值技术的船体曲面变形方法,以DTMB5415船型为研究对象,结合计算流体力学计算工具和多目标粒子群算法,以兴波阻力最小为优化目标,完成了不同弗劳德数(Fr)下的船舶阻力性能优化.在优化结果中选择3条典型船型进行分析:Fr为0.41时方案1较优,兴波阻力减小了18.83%;Fr为0.22时方案3较优,兴波阻力减小了49.66%;Fr为0.28时方案2为折中方案,兴波阻力减小了30.23%.优化结果表明,基于径向基插值技术的船体曲面变形方法可有效产生光顺的船体型线.

声学数值计算的分区光滑径向点插值无网格法

针对标准的有限元法分析声学问题时由于数值色散导致高波数计算结果不可靠问题,将分区光滑径向点插值法(cell-based smoothed radial point interpolation method,CS-RPIM)应用到二维声学分析中,推导了分区光滑径向点插值法分析二维声学问题的原理公式。该方法将问题域划分为三角形背景单元,每个单元进一步分成若干个光滑域,对每个光滑域进行声压梯度光滑处理,运用光滑Galerkin弱形式构造系统方程,并按有限元中方法施加必要的边界条件。CS-RPIM提供了合适的模型硬度,能有效降低色散效应,提高计算精度。对管道和二维轿车声学问题的数值分析结果表明,与标准有限元法相比,CS-RPIM具有更高的精度和准确度,在高波数计算时这种优势特别明显。

基于单位分解的扩展径向点插值无网格法

针对线弹性断裂力学问题,提出扩展径向点插值无网格法(X-RPIM)。该方法基于单位分解思想,在传统径向点插值无网格法的位移模式中加入扩展项来描述裂纹两侧的不连续位移场和裂尖奇异场。由于其形函数具有Kronecker函数性质,易于施加本质边界条件。详细描述了X-RPIM不连续位移模式的建立,支配方程的离散形式以及J积分计算混合模式裂纹的应力强度因子的实现过程,讨论了不同积分区域对应力强度因子的影响。数值算例分析证明了该方法在求解断裂问题时的可行性和有效性,同时说明扩展径向点插值无网格法在模拟裂纹扩展问题时具有良好的前景。

径向基/超限插值结构网格运动方法中的变形一致性问题

针对径向基函数插值和超限插值的结构网格运动方法(RBF_TFI)中变形一致性问题引起的空间网格棱线扭曲和网格单元交叉现象进行深入分析,并依据分析结果提出一种改进的RBF_TFI结构网格运动方`法.首先基于HIRENASD机翼模型计算网格绕y轴旋转30°的算例,从变形网格质量、棱线交叉点位移误差与空间棱线扭曲等方面分析了不同基点选择方案中变形一致性问题产生的原因;然后将与物面相连的空间棱线定义为边界棱线,并采用三次样条插值的方式更新边界棱线上网格点的坐标.使用HIRENASD算例对文中方法的效果进行了验证,结果表明,该方法能够消除变形一致性问题引起的棱线扭曲现象,有效地避免变形网格出现交叉和产生负体积单元.

功能梯度材料中的无网格局部径向点插值法

提出一种新的无网格局部径向点插值法来分析功能梯度材料．这种无网格方法采用径向基函数耦合多项式基函数来近似试函数,采用Heaviside函数作为加权残值法中的权函数．构造成的形函数具有Kronecker Delta性质,不再需要额外的处理来施加本质边界条件．若不考虑体力,则所形成的整体刚度矩阵只包含局部边界积分,而不包含局部域积分和奇异积分．在计算过程中,取局部边界积分中的高斯点的材料参数来模拟问题域材料特性的变化．结果表明,这是一种真正的无网格方法,具有模拟简单,计算精度高等优点．

用无网格径向点插值法分析中厚板的弯曲问题

利用无网格径向点插值方法对四边固支和四边简支中厚方板以及悬臂中厚梯形板的挠度和应力进行了分析和计算.编制了该方法的计算机程序,研究了计算结果的精度和收敛性.由于该方法是采用径向基函数耦合多项式基函数来构造形函数,其插值函数具有Kronecker Delta函数性质,可以和有限元法一样很方便地施加本质边界条件.而且该方法是基于节点信息而不是基于单元或网格信息,所以用该方法求解薄板问题时也可以避免剪切自锁现象.算例结果表明,用无网格径向点插值法分析中厚板的挠度和应力问题所得计算结果与已有文献解以及有限元解都十分地吻合,并且具有效率高、精度高、收敛性好和易于实现等优点.

基于改进FCM和径向基函数插值的图像修复

图像破损区域的检测提取是图像修复过程中的关键预处理步骤,模糊C均值聚类算法(FCM)在聚类过程中易受到初始聚类中心影响并陷入局部最优.提出一种基于差分演化的改进模糊C均值聚类算法(DEFCM),该方法通过建立图像的灰度-梯度直方图获取聚类数目,作为差分演化算法(DE)问题的维数,结合改进的FCM自适应提取图像破损区域,在此基础上,利用径向基函数插值方法(RBF)对图像进行修复.经实验验证,该方法能解决FCM算法陷入局部最优的问题,能正确、稳定的提取灰度图像的多种破损区域,RBF通过对破损区域的插值得到缺失信息,实现图像的修复.

弹性力学问题的径向点插值法

径向点插值法是一种新型的无网格方法。该法构造出的形函数具有δ函数特性,克服了以往无网格方法难以实现位移边界条件的难点。此外,由于其插值函数采用径向基和多项式基的线性组合,从而完全有效地解决了单纯采用多项式基的点插值法在计算插值函数时矩阵易于奇异的问题。本文介绍了该方法基本原理,并尝试将该方法应用于弹性力学问题的求解,推导出了其相应的离散方程,最后用算例初步验证了该方法的有效性与合理性。

一种高效的局部径向基点插值无网格方法

提出了一种弹性动力分析的高效局部径向基点插值无网格方法(MLRPI).该方法采用径向基点插值形函数近似解变量,运用局部Petrov-Galerkin法推导出了相应的离散方程,并根据波动模拟的精度要求,得到某一结点的动力方程.然后采用Newmark常平均加速度法和中心差分法相结合的显式积分格式进行时域积分,得到每个自由度的一种解耦递推格式.最后,对一平面应变问题进行了求解,比较了该文提出的解耦MLRPI方法、常规MLRPI方法和ANSYS有限元方法的精度和计算时间,结果表明解耦MLRPI方法与常规MLRPI方法的精度相当,但计算效率大大提高.

基于无网格径向点插值方法的简谐激励下的连续体结构拓扑优化

针对用有限元法进行连续体结构拓扑优化时需不断重构网格来处理网格畸变和网格移动,且存在数值计算不稳定等问题,基于无网格径向点插值方法(Radial Point Interpolation Method,RPIM)对简谐激励下的连续体结构进行拓扑优化.选取节点的相对密度作为设计变量,以结构动柔度最小化为目标函数,基于带惩罚的各向同性固体微结构(Solid Isotropic Microstructure with Penalization,SIMP)模型建立简谐激励下的优化模型;采用伴随法求解得到目标函数的敏度分析公式;利用优化准则法求解优化模型.经典的二维连续体结构拓扑优化算例证明该方法的可行性和有效性.

径向点插值法在波浪传播数值模拟中的应用

针对波浪数值模拟中基于矩形网格的数值方法在深水到浅水的网格间距选择与复杂边界处理上的缺陷,以及基于正交曲线网格和无结构网格的数值方法前处理工作复杂的问题,引入最近在计算力学中发展起来的无网格法——径向点插值法,对经典的双曲型缓坡方程进行空间离散,并在时间上采用四阶Adams-Bashforth-Moulton格式求解建立近岸波浪传播数学模型,通过椭圆形浅滩地形和环形河道的波浪传播计算验证,表明该无网格方法可较为有效地模拟近岸波浪的传播变形,且在处理复杂边界时具有较高的精度。

带有多项式基的径向点插值无网格方法

带有多项式基的径向点插值无网格方法是一种新的数值方法。文章介绍其基本原理,并将该方法应用于二维弹性静力问题的求解,推导出其相应的离散方程,最后用算例表明,该法具有一定的发展前景。

中厚板的耦合多项式基径向点插值无网格法

采用Mindlin平板理论,通过最小位能原理建立了各向同性中厚板的伽辽金整体弱式方程,形函数采用耦合多项式基的径向点插值法构造,可以直接施加本质边界条件.算例表明,用耦合多项式基的径向点插值无网格法分析中厚板问题,具有效率高、精度高和易于实现等优点,可以避免薄板弯曲时的剪切自锁现象.