自适应自然单元法研究——误差估计

实现自然单元法自适应分析的首要步骤是对NEM求解误差进行有效估计,鉴于Z-Z方法在有限元自适应分析中的成功应用以及近年来在无网格伽辽金方法误差估计中的高效实用,尝试将其应用于自然单元法的求解误差估计。应用自然单元法和位移模型求解固体力学问题时,由于NEM形函数在离散节点处的导数不存在以及在边界节点间满足线性插值,以致自然单元法求解不能直接给出节点上的应力、应变值,而且应力、应变值在边界上为分段常数。因此,有必要根据求解得到的位移场进行应力恢复以提取节点处的应力、应变值并构造全域光滑的应力场。针对自然单元法的特点,建议先利用自然单元法求解得到的全域光滑位移场,在节点处应用移动最小二乘方法提取应变、应力值;然后利用节点上恢复的应力、应变值,采用自然相邻点插值构造全域光滑的应力、应变场。大量数值实例表明,构造的光滑应力场具有较原始解更高的数值精度和收敛性。基于Z-Z方法将原始应力解和应力恢复解之间的差值作为误差的近似估计是可行的、简单高效的。

自然单元法研究进展

自然单元法(NEM)是新近出现的一种求解偏微分方程(PDE)的数值方法,它采用自然相邻点插值方法在全域构造近似函数和试函数,该方法基于整个求解域内离散节点的Voronoi结构。NEM形函数的构造简单,形函数及其导数的计算相对容易,由于不涉及到矩阵的运算及其逆运算,与一般的无网格方法相比计算量大大减少。另外由于NEM形函数满足Delta函数的性质,且在边界相邻节点间满足线性插值,从而可以准确地施加边界条件和方便地处理场函数及其导数的不连续性,这是一般的无网格方法所难以实现的。从形函数的构造和性质来看,它兼有无网格的特性和有限单元方法的优点,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。详细介绍了自然单元法的求解过程和最新研究进展,并对目前自然单元法中尚待改进的问题及其相应的解决方案和未来的研究方向进行了初步的探讨。

蒙特卡罗数值积分在自然单元法中的应用

自然单元法采用自然邻点插值方法在全域构造近似函数和试函数,该方法基于整个求解域内离散结点的Voronoi结构。当采用标准Galerkin法形成系统的平衡控制方程时,对弱形式的积分通常在Voronoi图的对偶图Delaunay三角形内进行,但由于自然邻接插值形函数的特性,自然单元法数值积分存在明显误差。分析了自然单元法数值积分产生误差的各种可能的原因,并提出使用蒙特卡罗方法解决这一问题。该方法权系数直接与精度相关,确定方法简单有效。采用Delaunay三角形内布积分点,使得这种概率积分结果接近数学期望。给出最少积分点数的确定方法,尽可能提高蒙特卡罗积分的计算效率。通过分片试验和悬臂梁等算例验证蒙特卡罗方法解决这些误差的可行性和有效性。

自然单元法中的误差分析

自然单元法基于整个求解域内离散结点的Voronoi结构,在全域内构造近似函数和试函数。当采用标准伽辽金法建立系统的控制方程,在Voronoi图的对偶图Delaunay三角形内进行弱形式的积分,但由于自然邻接点插值函数的特性,自然单元法的积分存在明显误差。分析自然单元法积分产生误差的各种的原因,并找出新的积分方法解决这一问题。该通过分片试验和悬臂梁等算例验证新积分方法解决这些误差的可行性和有效性。

基于自然单元法的动力学问题分析

针对有限元法模拟动力学问题受单元尺寸限制的问题,本文采用自然单元法来消除单元尺寸的限制。在二维自然单元法的理论基础上,把自然单元法的理论推广到三维空间,采用Voronoi结构的边元素构造三维自然单元的插值函数,并利用该函数推导动力学问题的离散格式,对于离散格式中时间域求解采用本中心差分和Newmark常平均加速度法相结合的第一种积分格式进行,空间域采用高斯积分。采用大型数值软件ANSYS模拟悬臂梁动力响应的计算结果作为基准,通过分片试验和悬臂梁等算例分别验证本文推导插值函数和动力学问题的离散格式的正确性。通过对比可以发现大变形条件下,有限元方法将出现网格畸变使计算无法进行,而本文方法则不会出现网格畸变,计算仍然可以进行。

Shepard基函数的无网格方法

针对自然单元法现有的插值函数不能过点插值、边界上只能线性插值,应力-应变解答精度低、计算结果需要利用最小二乘法处理等缺点,该文引用了新的插值方法。采用Shepard形函数(0阶MLS形函数)作为基函数,借助泰勒多项式基的概念,把多项式高阶基函数构造出来,保持自然单元法的高阶连续性,使自然单元法具有过点插值的性质和在边界上能C∝插值特点,并提高了应力-应变解答精度,对于应力-应变结果也不需要再进行处理和修正,可以直接用高斯点插值得到。数值算例表明:该方法可以显著提高计算效率,并在精度和收敛性方面也有所改善。