稳定节点积分伽辽金无网格法的应力计算方法研究

应力计算是基于稳定节点积分的伽辽金无网格法的重要组成部分.该文着重研究稳定节点积分伽辽金无网格法的应力计算方法,对稳定节点积分方法的变分一致条件进行了讨论,证明当节点代表域内的应变采用非局部光滑应变时,相应的应力在节点代表域内为常数,稳定节点积分伽辽金无网格离散方程是变分一致的.文中提出了三种节点应力计算方法,研究表明,基于位移梯度的节点应力计算方法不满足变分一致性要求,而采用光滑应变的节点应力计算方法和一致形心应力计算方法满足变分一致性要求.典型数值算例的误差分析表明,满足变分一致性不一定确保得到更为精确的结果,而基于光滑应变的一致形心应力计算方法总是较其它两种方法更为精确.

薄板弯曲分析的节点积分高阶无网格法

采用高阶无网格法求解薄板弯曲问题,在已发展的线性曲率光顺方案的基础上,通过引入泰勒展开技术,建立了能够精确再现纯弯曲和线性弯曲模式的节点积分方法。与之相比,目前无网格薄板分析主要采用的节点积分方法仅能精确再现纯弯曲模式。数值结果表明,本文方法可精确通过纯弯曲和线性弯曲试验,且能得到光滑、无振荡的弯矩场。与标准的高斯积分方法和目前已存在的节点积分方法相比,本文方法在计算精度、效率以及弯矩分布等方面均展现出显著优势。

积分节点迎风偏移的节点积分无单元Galerkin方法

建立求解稳态对流-扩散方程的一种稳定、高效的无单元Galerkin方法.该方法计算积分时采用基于局部Taylor展开的节点积分,并根据对流占优的程度对积分节点进行自适应迎风偏移.与传统的使用稳定化的无单元Galerkin方法相比,该方法是一种不依赖于背景网格积分的纯无网格方法,具有更好的稳定性和较高的计算效率,其程序实施更为简便.

稳定相容节点积分的无网格算法

首先形成了弹性力学控制方程的等效积分弱形式.针对域内高斯积分的缺陷以及直接节点积分的不稳定性,采用了基于应变光滑理论的稳定相容节点积分方案,从而改进了二维问题的无网格全局弱形式.该方案的积分域-Voronoi图是伴随于域节点的,是“天然”的网格形式.选择了添加多项式项的径向基点插值形函数,以便容易地施加本质边界条件.算例显示该方法的数值结果与解析解吻合良好,从而展现了其稳定性、精确性以及很好的鲁棒性.

改进节点积分的无单元Galerkin法及其在流动问题中的应用

无单元Galerkin法需要在背景网格上积分,计算量大,且在求解对流占优问题时会出现非物理的数值伪振荡现象。为此,基于局部Taylor展开思想,采用节点处的局部Taylor展开计算积分,建立了局部Taylor展开积分无单元Galerkin法。该方法同时解决了标准的无单元Galerkin法计算量大和对流占优时会出现数值伪振荡的问题。一维定常对流扩散方程和二维Burgers方程的求解说明了该方法的有效性,且计算效率远高于无单元Galerkin法。

稳定相容节点积分无网格法动力学分析

利用添加多项式项的(Radial Point Interpolation Method,RPIM)形函数,形成了动力学问题的无网格全局弱形式.生成了伴随于域节点的Voronoi图,利用基于应变光滑稳定方案的稳定相容节点积分得到了改进后的总体刚度矩阵离散化形式,并利用直接法施加位移边界条件.自由振动分析得到了与有限元参考解吻合良好的数值解,受迫振动分析采用了无条件稳定的Newmark法,从而验证了本方法在求解动力学问题所展现的稳定性、精确性及收敛性.

基于等距节点积分公式的牛顿迭代法及其收敛阶

利用等距节点的数值积分公式构造牛顿迭代法的变形格式.我们证明了利用4等分5个节点的Newton-Cotes公式构造的变形牛顿迭代法收敛阶为3,并进一步证明了对于最常用的3等分4节点、5等分6节点、6等分7节点、7等分8节点积分公式,所得到的变形牛顿迭代法收敛阶都是3.最后,本文猜想,利用任意等分的积分公式构造变形牛顿迭代法,所得的迭代格式收敛阶都是3.

基于无积分节点间断有限元的二维水沙模型:(2)泥沙运动与地形演变

泥沙输运和地形演变是河口海岸学研究的重要课题。为了合理模拟地形变化过程中泥沙运动问题,文章基于无积分节点间断有限元方法建立了二维泥沙数值模型。利用建立的数值模型模拟了水槽中泥沙冲淤过程,沙波演变过程、溃坝算例地形演变过程和三亚红塘湾悬沙运动,模拟结果与解析解或实测值吻合较好,表明该模型能够合理地模拟二维泥沙运动与地形演变过程。

基于无积分节点间断有限元的二维水沙模型:(1)水动力

通过采用节点间断有限元方法对二维浅水方程进行离散,考虑了科氏力、风应力、底摩阻等作用,最终建立了一套高精度二维水动力模型。模型可采用任意四边形网格计算,并应用节点基函数和无积分数值离散方法,有效地减少了计算量。建立的模型通过理想算例对各源项求解、干湿与和谐性进行了验证。最后将模型应用于三亚市红塘湾实际潮流的模拟中,得到结果与全潮水文观测数据吻合良好。

质点积分无单元伽辽金法及其在金属挤压过程中的应用

无单元伽辽金法需要在背景网格上积分,计算量大。节点积分无单元伽辽金法把对求解域的积分转化为对节点的求和,效率高,但因零能模态不受控制而会产生不稳定现象,需要采取一定的稳定化方案。本文采用应力点思想,通过Newton-Cotes法计算积分,建立了质点积分无单元伽辽金法,并通过小变形弹性静力学问题说明了该方法具有良好的稳定性,且计算效率远高于无单元伽辽金法。最后本文将质点积分无单元伽辽金法成功地应用于三维金属挤压成型过程的数值模拟,显示了该方法在分析此类问题时的优势和潜力。

二维带边界偏导数值的复化数值积分公式

构建了一类二维带边界偏导数值的复化数值积分公式,给出了所建立的两种数值积分公式的稳定性分析、误差分析和代数精度.与二维复化四点高斯数值积分公式相对比,所建立的带边界偏导数值的复化梯形、复化辛普森求积公式在达到相同精度时所需积分节点大大减少,积分的时间复杂度也随之大大减少,实例验证结果良好.

基于SNS-FEM的电动汽车电缆线电磁辐射仿真

针对传统有限元法(FEM)在分析电动汽车电缆线低频电磁场时出现的效率低、精度差等问题,提出了一种电缆线对人体辐射仿真的稳定节点积分数值模型(stable node-based smoothed FEM, SNS-FEM)。采用四面体单元对问题域进行离散,基于背景网格节点构造光滑域,依托梯度光滑技术与稳定项增强获得离散方程。基于所构造的方法分析了电缆线低频电磁辐射环境下人体感应电流密度的分布情况,结果表明:相比于传统FEM,SNS-FEM能适当地“软化”电磁系统刚度,提供更加精确高效的电动汽车电缆线电磁场仿真结果。

暴雨诱发滑坡的高效无网格大变形数值模拟

渗流与土体的大变形耦合损伤破坏问题是暴雨诱发滑坡数值模拟的重要内容,目前对滑坡的全过程大变形非线性损伤破坏的仿真分析仍是一个难点。本文基于稳定节点积分再生核质点伽辽金无网格法和大变形增量型本构关系,提出了一套能模拟暴雨诱发非饱和土质边坡大变形损伤破坏的高效分析方法。该方法应用拉格朗日稳定节点积分,保证了数值积分的稳定性和高效性;同时采用非饱和土的物理力学性质来模拟降雨过程中边坡土体性质的演化,并以各项同性损伤函数和Drucker-Prager屈服准则反映土体的弹塑性损伤状态。该方法的非局部近似特性可以有效地模拟从剪切带起始到发生滑坡的整个大变形损伤破坏过程。通过典型算例验证了方法的有效性,并研究了滑坡发生时间与降雨强度和初始饱和度的关系。

饱和土体中稳态渗流的高效无网格分析

利用稳定节点积分思想,构造一种求解饱和土体中稳态渗流问题的快速Galerkin无网格方法.该方法通过建立非局部光滑节点水力梯度,具有节点积分高效的特点,同时避免形函数在节点上直接求导,为稳态渗流分析提供有效的稳定保障.均匀渗流与自由面渗流算例的计算结果表明,该方法分析渗流问题高效且准确,能精确模拟任意均匀渗流场,在求解自由面迭代问题时,能避免有限元求解迭代问题时重划网格的工作,迭代收敛速度快.

移样离散傅里叶变换在重磁勘探中的应用

基于移样离散傅里叶变换理论,以严谨的数学演绎将高斯节点积分引入傅里叶变换数值计算。演绎结果证明,一个傅里叶积分可用数个移样离散傅里叶变换的加权求和高精度逼近,其权系数为高斯求积系数的1/2,偏移量为高斯节点坐标的1/2加0.5。这一结论为保证重磁勘探中波数域正演问题的精度提供了严谨的理论依据。由于移样离散傅里叶变换理论和高斯节点积分理论的充分条件都是有界函数,基于上述结论的高斯FFT算法的应用领域可拓展到任意有界函数的正、反傅里叶变换。

极射赤面投影坐标系二维间断有限元水动力模型

针对普通经纬球坐标下二维浅水方程数值模型存在奇异点和网格辐合的问题,通过极射赤面投影方法将经纬球坐标转化为平面坐标实现网格重划,并应用无积分节点间断有限元空间离散方法,建立了可应用于大范围海域模拟的二维水动力数值模型.利用建立的模型模拟了渤海海域潮波和渤海湾局部潮流运动,模拟结果与实测数据吻合良好,表明极射赤面投影坐标下的二维间断有限元水动力模型能较好地模拟大范围海域潮波传播和局部海域潮流运动.

选区激光烧结过程传热分析的高效无网格法

增材制造是通过材料逐层堆积来实现构件无模成形的新型制造技术,近年来受到人们的广泛关注。基于无单元伽辽金法(无网格法)提出了一种可高效模拟以粉末床为主要技术特征的选区激光烧结增材制造过程的数值模拟技术。相应于材料逐层增加过程,逐层引入计算节点和背景积分单元。充分利用无单元法建立近似函数仅依赖于节点而非网格单元的优点,对远离当前加工层的区域自适应地进行“网格”粗化以减小计算规模。为进一步提高计算效率,引入稳定相容节点积分技术,大幅度减少了积分点数目。数值结果表明,所发展方法能够有效模拟选区激光烧结增材制造的热传导过程,再现温度场的演化历程。与使用通用有限元软件的模拟方法以及使用高斯积分的标准无网格法相比,该方法大幅度缩短了计算时间,显著提高了选区激光烧结过程传热分析的计算效率。