基于比例边界有限元法的结构-地基动力相互作用时域算法的改进

本文基于比例边界有限元法(Scaled Boundary Finite Element Method)的缩减基函数解法,对结构-无限地基动力相互作用的时域算法进行了改进。通过选择适当的基函数数目,缩减结构-地基接触面上的自由度,以减小卷积积分所带来的计算工作量,推导了缩减自由度后运动方程的表达式。通过重力坝和拱坝加速度频响曲线的算例,对比了不同程度缩减的基函数和全部基函数对计算精度和效率的影响。结果表明,基函数的缩减可使计算效率明显提高,但精度损失不大。当采用60%的基函数时,计算效率提高5倍,而峰值频响曲线的精度损失却不超过4%。因此,该算法比较适合于大型结构-地基动力相互作用问题的时域分析。

硬盘驱动器头盘界面时域问题的有限元隐式算法

本文提出了一种有限元隐式算法,用于求解磁头浮动块在盘面上飞行的时域问题。计算表明,该方法具有稳定性好,可采用的时间步长大,计算量小,精度高等特点。

求解非均匀无限地基相互作用力的有限元时域阻尼抽取法

由于无限地基的动力效应较难确定,结构-地基的动力相互作用主要局限于频域分析,从而限制了非线性分析应用。阻尼抽取法(DSEM)通过在有限域内施以附加人工阻尼再移频抽取的办法可以有效地模拟非均匀无限粘弹性介质的动力特性,在结构-无限地基动力相互作用分析中有较好的应用前景。在此基础上,本文提出了DSEM进行结构-地基交界面相互作用力-位移时域分析的有限元逐步积分形式算法,并给出了具体实现公式,可以更好地适应工程有限元计算及与结构-地基相互作用程序结合的需要。最后,以实例形式论述了该方法良好的精度及实现中各个关键因素的影响。

三维土-结构动力相互作用体系分析的两步时域显式波动有限元过程

为减少直接分析三维大尺度复杂土-结构动力相互作用问题的计算量,提高计算效率,本文直接从波动方程出发,提出了较常规子结构法更简单的两步简化计算过程,即第一步简化上部复杂结构体系为集中质量杆系模型,并求基础处等效输入,第二步通过等效输入求上部结构各位置的动力反应。其中第一步计算主要采用集中质量显式有限单元法结合局部透射人工边界实现,并编写了工程实用性强的时域三维土-结构动力相互作用专用分析程序3DSSI。和其它类似方法相比,本方法的特色从几个方面体现:完全采用时域显式递推的过程,使计算效率较高;上部复杂结构的简化,使计算量仅相当于土体自由场分析;等效输入的获得,可使土体-结构复杂体系的动力分析等效为常规的上部结构动力反应计算;时域算法较常用的频域法在土体非线性方面存在更大潜力。本文还通过典型的三维土-结构模型的建立,与相应的参考解相比,验证了本文提出的计算方法的有效性和计算精度,并初步探讨了土-结构动力相互作用体系的一些基本规律。

基于时域有限元的近场单站导体柱微波成像

介绍了一种在自由空间中对导体柱近场单站电磁成像的时域数值方法。提出以不均匀分布的点——离散点描述法,来代替通常采用的有限项三角级数逼近的形状函数来描述散射体。在正过程中采用时域有限元法获得其近区散射场,逆过程则通过遗传算法来寻找最优解。以不均匀分布于导体表面点的矢径的模作为优化变量。以在整个迭代过程中,目标散射场和计算散射场的误差总和与目标散射场场值绝对值之和的比值作为目标函数,使目标函数达到最小值来获得导体柱在自由空间中的电磁成像。

超声相控阵全聚焦成像优化算法有限元仿真研究

先进的后处理成像算法能够极大地推动超声无损检测在工业检测中的应用。以Acrylic模型中二维分布的圆孔缺陷为检测对象,使用PZFlex有限元软件建模,MATLAB编写后处理算法程序,研究全聚焦算法、1/2矩阵算法和时域拓扑能量算法,比较图像重建质量、成像效率以及分辨率,并结合网格重构、插值算法和-6dB处理法进一步优化全聚焦算法的图像重建质量和成像效率。结果显示,改进后的全聚焦成像算法比TFM算法的成像效率和分辨率分别提高50%和42.8%,具有很大的应用潜力。

粘弹性动力问题中的一种新的时域递进算法

提出一种新的求解粘弹性动力问题的时域递进技术 ,在离散时段内将各物理量展开 ,导出有限元形式的递推计算格式· 对不同的时间步长 ,可做自适应计算 ,以保证计算精度· 数值验证给出了令人满意的结果·

弹塑性体中波传播问题的间断Galerkin有限元法

对结构动力学和波传播问题提出了一个时域间断的Galerkin有限元法 .其主要特点是对问题的半离散场方程的节点基本未知向量及其时间导数向量在时间域中分别采用三次多项式和线性 (P3 P1 )插值 ,节点基本未知 (位移 )向量在离散的时间段之间将自动保证连续 ,而仅仅是它的时间导数 (速度 )向量存在间断 .在非线性条件下 ,与现有的间断Galerkin有限元法相比 ,明显地节省了计算工作量 .对所提出的间断Galerkin有限元法发展了弹塑性非线性问题的隐式和显式算法 .数值计算结果表明了所提出方法的有效性 ,以及相对基于连续Galerkin有限元法的Newmark算法的计算结果的优越性 .

时域自适应算法求解弹性地基薄板的动力问题

为更精确地求解弹性地基薄板的动力响应,发展了一种分段时域自适应算法,通过变量在离散时段内的展开,将时空耦合的初边值问题转化为一系列递推的基于有限元(FEM)的空间问题求解,通过自适应计算保持稳定的计算精度。数值算例表明:本文解与解析解相比最大相对误差不超过3.59%;当步长较大时四阶Runge-Kutta法和Newmark法均失效,本文所提算法仍可得到满意的计算结果。

电磁场时域数值算法的新进展

电磁场时域计算方法由于一次计算可以获得目标的时域响应,结合傅里叶变换得到宽带信息等的优势越来越受到关注.本文介绍了近年来时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)法和时域有限元(finite element time-domain,FETD)无条件稳定算法方面的研究进展以及FETD算法的更新方案--时域非连续伽辽金(discontinuous Galerkin time-domain,DGTD)方法的新进展.

时域自适应算法求解移动荷载下梁的多宗量反问题

通过一种时域自适应算法,建立了求解变速移动荷载下梁的多宗量反问题的数值模型,可同时识别移动荷载和梁的物性参数。正问题采用时域自适应算法和FEM建模,并可由此方便地推导敏度公式;在反问题求解中采用Levenberg-Marquardt法,计算表明该方法具有较好的抗不适定性。通过两个算例,对所提算法进行了数值验证,并探讨了噪声和测点的变化对反演结果的影响,结果令人满意。

时域间断伽辽金-粒子模拟方法研究进展

时域间断伽辽金-粒子模拟(discontinuous Galerkin time-domain particle-in-cell,DGTD-PIC)方法采用非结构网格能准确描述复杂结构,采用高阶基函数进一步提高了计算的精度,同时避免了求解大型逆矩阵,在等离子体和高功率电磁学相关数值模拟方面具有广泛的用途。近年来国内外报道了大量DGTD-PIC方面的研究工作,该方法在核心关键技术方面已取得了许多突破性进展。为促进DGTD-PIC方法的发展及应用,本文对该方法在修正势的DGTD电磁场计算方法、复频移完全匹配层边界、非结构网格中带电粒子定位与电荷和电流分配等关键技术方面所取得的研究成果进行了详细介绍。

电磁场时域数值技术新进展

近年来 ,电磁场时域数值技术成为研究热点 ,在理论研究上取得长足的进步 ,应用范围也迅速扩大 ,地位日益提升 .对近来国际上较有影响的 ,具有代表性的多种电磁场时域数值算法的原理、特点及应用的简要情况 ,尤其是最新进展加以总结和评述 。

时域响应中传感器附加质量影响消除

提出了一种时域内的传感器附加质量影响消除方法。利用时域实测自由响应数据,通过特征系统实现算法进行模态参数识别,获得传感器附加质量影响情况下的模态参数。以实测模态参数为基准,采用信赖域和非线性最小二乘算法对考虑传感器附加质量的结构初始有限元模型参数进行识别与修正,并以修正后的有限元模型为基础预测传感器附加质量消除所引起的模态参数改变。基于振型叠加法原理建立时域内传感器附加质量影响消除的识别方程组,并结合有限元预测的模态参数改变反演传感器附加质量影响消除情况下的时域响应。通过对一个实验室两端夹支梁模型实测时域响应中传感器附加质量影响消除进行研究,对所提出的方法进行验证。

全电磁粒子模拟算法研究及软件研制进展

全电磁粒子模拟方法通过求解电磁场与带电粒子之间的非线性相互作用,广泛应用于真空电子器件的数值模拟研究及参数优化设计,也能用于高能带电粒子产生电磁脉冲等物理现象的模拟研究。本文作者所在团队在全电磁粒子模拟算法研究、软件研制及应用等方面开展了系列工作,取得的进展有:(1)开展了2.5维全电磁粒子模拟算法研究及软件研制,提出了基于2.5维粒子模拟算法及并行遗传算法的真空电子器件优化方法,研制的软件已应用于真空电子器件的设计和优化;(2)完成了3维并行全电磁粒子模拟算法研究及软件研制,采用共形网格模拟3维复杂真空电子器件结构,具备超大规模并行计算能力,已应用于真空电子器件的3维数值模拟研究;(3)开展了基于时域间断有限元的全电磁粒子模拟算法研究,研制了基于该方法的全电磁粒子模拟软件,大幅提高了全电磁粒子模拟方法计算复杂结构的能力。

无条件稳定FETD方法中亚网格技术的研究

本文在时域有限元(Finite-Element Time-Domain,FETD)方法中实现了一种新型亚网格技术,并通过空间滤模(Spatial Modes Filtering,SMF)发展为无条件稳定亚网格FETD(Subgridding SMF-FETD,SSMF-FETD)方法.本文给出了FETD中亚网格技术的具体实施方案,包括粗细网格交界处粗网格棱边的编号方案、系统矩阵的建立过程以及亚网格FETD(Subgridding FETD,S-FETD)方法的系统迭代方案.亚网格技术的引入在一定程度上会破坏系统矩阵的稀疏度,但基于有限元框架下建立的系统矩阵依然保持对称正定或半正定特性.因此,可以直接将SMF方法应用到S-FETD方法中.通过广义特征值分解获得S-FETD系统矩阵的不稳定模式,并修改其矩阵方程,进而得到SSMF-FETD方法.S-FETD方法能够有效减少未知量数目,在此基础上数值结果表明,SSMF-FETD可以有效扩大时间步长并保持结果准确,从而进一步提升计算效率.在面对含有复杂精细结构的问题时,所提方法具有较高的有效性和准确性.

基于BMO算法的梁冲击荷载识别

采用新兴群智能优化算法(bird mating optimizer,BMO),对作用于梁上的三角冲击荷载参数进行识别。建立梁的动力学方程,并用有限元法进行离散,获得其受冲击荷载时所产生的动态响应。然后,将参数识别反问题转化为一个优化问题,基于响应的计算值与相应的测量值误差的最小二乘构造目标函数。通过BMO算法对目标函数进行寻优求解,获得冲击荷载的位置、大小和作用时间几个参数。研究表明:在噪声条件下提出的方法也能成功识别作用于梁上各位置的三角冲击荷载,且BMO优于其他传统元启发式算法,具有一定的工程应用前景。

基于有限元-时域分段自适应算法的围岩衬砌耦合渐进分析

以开挖时间、一衬时间、二衬时间划分时间区段,考虑围岩与衬砌为弹性/粘弹性介质,将围岩的"位移/应力释放不完全"、开挖等影响模拟为载荷的渐进释放,提出一个有限元-时域分段自适应算法,求解围岩衬砌耦合问题,并通过数值算例对算法进行了验证.所提方法给出了各时间区段的关联条件;可更准确描述各变量随时间的变化;同时将原时空耦合问题转化为一系列空间问题,并利用有限元方法递推求解;当步长变化时可通过自适应计算保证稳定的计算精度.此外,还建立了一个载荷渐进参数的反问题数值求解模型,并给出了相关算例.

地震作用下重力坝动水压力的高精度时域公式

提出一种计算直立坝面上地震动水压力的高精度时域公式,与坝体有限元模型结合用于考虑坝-水动力相互作用,避免半无限库水区域的数值模拟。在频域内,基于库水区域分离变量解析解和坝-水交界面条件推导精确的坝面动水力-坝面绝对水平运动关系,之后利用作者已经提出的时间卷积局部化方法将该关系转化为含有辅助变量的高阶精度时域公式。该公式的时空离散形式与坝体有限元模型的耦合方程,可以采用显式时间积分方法求解。为了能够利用商用有限元平台分析非线性坝体-库水动力相互作用问题,在ABAQUS有限元软件中通过UEL用户单元子程序二次开发实现了提出的动水力公式,公式用户单元在有限元建模阶段与坝体有限元模型无缝结合,后续动力计算过程中无须重启动等任何特别处理。刚性坝面地震动水压力分析表明,提出公式的计算结果稳定,并与解析解较好吻合;之后将该公式应用于Koyna重力坝地震反应分析。