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The Chebyshev spectral element method using staggered predictor and corrector for elastic wave simulations 被引量:3
1
作者 车承轩 王秀明 林伟军 《Applied Geophysics》 SCIE CSCD 2010年第2期174-184,195,共12页
Based on strong and weak forms of elastic wave equations, a Chebyshev spectral element method (SEM) using the Galerkin variational principle is developed by discretizing the wave equation in the spatial and time dom... Based on strong and weak forms of elastic wave equations, a Chebyshev spectral element method (SEM) using the Galerkin variational principle is developed by discretizing the wave equation in the spatial and time domains and introducing the preconditioned conjugate gradient (PCG)-element by element (EBE) method in the spatial domain and the staggered predictor/corrector method in the time domain. The accuracy of our proposed method is verified by comparing it with a finite-difference method (FDM) for a homogeneous solid medium and a double layered solid medium with an inclined interface. The modeling results using the two methods are in good agreement with each other. Meanwhile, to show the algorithm capability, the suggested method is used to simulate the wave propagation in a layered medium with a topographic traction free surface. By introducing the EBE algorithm with an optimized tensor product technique, the proposed SEM is especially suitable for numerical simulation of wave propagations in complex models with irregularly free surfaces at a fast convergence rate, while keeping the advantage of the finite element method. 展开更多
关键词 chebyshev spectral element element by element predictor/corrector algorithm
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A lumped mass Chebyshev spectral element method and its application to structural dynamic problems 被引量:3
2
作者 Wang Jingxiong Li Hongjing Xing Haojie 《Earthquake Engineering and Engineering Vibration》 SCIE EI CSCD 2022年第3期843-859,共17页
A diagonal or lumped mass matrix is of great value for time-domain analysis of structural dynamic and wave propagation problems,as the computational efforts can be greatly reduced in the process of mass matrix inversi... A diagonal or lumped mass matrix is of great value for time-domain analysis of structural dynamic and wave propagation problems,as the computational efforts can be greatly reduced in the process of mass matrix inversion.In this study,the nodal quadrature method is employed to construct a lumped mass matrix for the Chebyshev spectral element method(CSEM).A Gauss-Lobatto type quadrature,based on Gauss-Lobatto-Chebyshev points with a weighting function of unity,is thus derived.With the aid of this quadrature,the CSEM can take advantage of explicit time-marching schemes and provide an efficient new tool for solving structural dynamic problems.Several types of lumped mass Chebyshev spectral elements are designed,including rod,beam and plate elements.The performance of the developed method is examined via some numerical examples of natural vibration and elastic wave propagation,accompanied by their comparison to that of traditional consistent-mass CSEM or the classical finite element method(FEM).Numerical results indicate that the proposed method displays comparable accuracy as its consistent-mass counterpart,and is more accurate than classical FEM.For the simulation of elastic wave propagation in structures induced by high-frequency loading,this method achieves satisfactory performance in accuracy and efficiency. 展开更多
关键词 mass lumping chebyshev spectral element method Gauss-Lobatto-chebyshev points Gauss-Lobatto type quadrature structural dynamic analysis elastic wave propagation
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Dynamic analysis of beam-cable coupled systems using Chebyshev spectral element method 被引量:2
3
作者 Yi-Xin Huang Hao Tian Yang Zhao 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2017年第5期954-962,共9页
The dynamic characteristics of a beam-cable coupled system are investigated using an improved Chebyshev spectral element method in order to observe the effects of adding cables on the beam. The system is modeled as a ... The dynamic characteristics of a beam-cable coupled system are investigated using an improved Chebyshev spectral element method in order to observe the effects of adding cables on the beam. The system is modeled as a double Timoshenko beam system interconnected by discrete springs. Utilizing Chebyshev series expansion and meshing the system according to the locations of its connections, numerical results of the natural frequencies and mode shapes are obtained using only a few elements, and the results are validated by comparing them with the results of a finite-element method. Then the effects of the cable parameters and layout of connections on the natural frequencies and mode shapes of a fixed-pinned beam are studied. The results show that the modes of a beam-cable coupled system can be classified into two types, beam mode and cable mode, according to the dominant deformation. To avoid undesirable vibrations of the cable, its parameters should be controlled in a reasonable range, or the layout of the connections should be optimized. 展开更多
关键词 Beam-cable coupled system Double-beam system chebyshev spectral element method Natural frequency Mode shape
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Chebyshev Spectral Element Analysis for Pore-Pressure of ERDs during Construction Period
4
作者 Chujia Zhou Mingyuan Chang Nansheng Li 《World Journal of Engineering and Technology》 2018年第2期393-407,共15页
Chebyshev spectral elements are applied to dissipation analysis of pore-pressure of roller compaction earth-rockfilled dams (ERD) during their construction. Nevertheless, the conventional finite element, for its excel... Chebyshev spectral elements are applied to dissipation analysis of pore-pressure of roller compaction earth-rockfilled dams (ERD) during their construction. Nevertheless, the conventional finite element, for its excellent adaptability to complex geometrical configuration, is the most common way of spatial discretization for the pore-pressure solution of ERDs now [1]. The spectral element method, by means of the spectral isoparametric transformation, surmounts the disadvantages of disposing with complex geometry. According to the illustration of numerical examples, one can conclude that the spectral element methods have the following obvious advantages: 1) large spectral elements can be used in spectral element methods for the domains of homogeneous material;2) in the application of large spectral elements to spatial discretization, only a few leading terms of Chebyshev interpolation polynomial are taken to arrive at the solutions of better accuracy;3) spectral element methods have excellent convergence as well-known. Spectral method also is used to integrate the evolution equation in time to avoid the limitation of conditional stability of time-history 展开更多
关键词 spectral element Method (SEM) chebyshev Series Earth-Rockfilled DAMS (ERD) ROLLING COMPACTION Pore-Pressure
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多边形区域上热传导方程的Legendre-Chebyshev谱元法 被引量:1
5
作者 周方方 马和平 《应用数学与计算数学学报》 2018年第2期402-408,共7页
建立了多边形区域上热传导方程的Legendre-Chebyshev谱元法,通过把多边形区域剖分成一些互不相交的凸四边形子区域,在各个子区域上采用Legendre-Galerkin方法,右端项采用Chebyshev插值逼近,计算可并行实现,给出了方法的稳定性和收敛性分... 建立了多边形区域上热传导方程的Legendre-Chebyshev谱元法,通过把多边形区域剖分成一些互不相交的凸四边形子区域,在各个子区域上采用Legendre-Galerkin方法,右端项采用Chebyshev插值逼近,计算可并行实现,给出了方法的稳定性和收敛性分析.数值算例显示了方法的有效性. 展开更多
关键词 多边形区域 Legendre-chebyshev谱元法 并行算法
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Chebyshev谱方法在声散射数值计算中的应用 被引量:1
6
作者 杨明绥 王同庆 范真真 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第6期686-689,699,共5页
基于声学边界元基本理论,并结合Chebyshev谱方法进行了声散射数值计算研究.采用2阶边界单元,谱点离散选用不包含边界的CG(Chebyshev-Gauss)配点法,克服了传统边界元在表面单元节点处出现的法向及法向导数不连续的现象;应用CHIEF(Combine... 基于声学边界元基本理论,并结合Chebyshev谱方法进行了声散射数值计算研究.采用2阶边界单元,谱点离散选用不包含边界的CG(Chebyshev-Gauss)配点法,克服了传统边界元在表面单元节点处出现的法向及法向导数不连续的现象;应用CHIEF(Combined Helmholtz Integral Equation Fomulation)方法进行了数值非唯一性处理,提高了计算的精度.与传统边界元方法进行了精度和效率的对比分析,证明该方法具有计算快速、精度高的特点. 展开更多
关键词 声散射 边界元 谱方法 CHIEF方法 chebyshev-Gauss(CG)配点法
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土石坝渗流分析中的Chebyshev谱元法
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作者 常明媛 宋子亨 +1 位作者 李南生 牛永昌 《南水北调与水利科技》 CAS CSCD 2011年第1期169-172,共4页
基于谱元法理论,对土石坝一维二维渗流问题进行了理论分析。首先建立了与土石坝渗流微分方程初边值问题等价的积分形式,选取Chebyshev多项式作为函数插值的基函数,得出渗流问题的离散矩阵方程。然后采用与有限元相似的方法集成整体系数... 基于谱元法理论,对土石坝一维二维渗流问题进行了理论分析。首先建立了与土石坝渗流微分方程初边值问题等价的积分形式,选取Chebyshev多项式作为函数插值的基函数,得出渗流问题的离散矩阵方程。然后采用与有限元相似的方法集成整体系数矩阵,根据不同的边界条件,最终计算得到结点水头列阵{h},通过谱插值点来求出整个土石坝各点的水头值。 展开更多
关键词 谱元法 渗流 切比雪夫多项式 有限元
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CHEBYSHEV SPECTRAL-FINITE ELEMENT METHOD FOR TWO-DIMENSIONAL UNSTEADY NAVIER-STOKES EQUATION 被引量:1
8
作者 Ben-yu Guo Song-nian He He-ping Ma 《Journal of Computational Mathematics》 SCIE EI CSCD 2002年第1期65-78,共14页
Proposes a mixed Chebyshev spectral-finite element method for solving two-dimensional unsteady Navier-Stokes equation. Information on the spectral method; Discussion; Error estimations.
关键词 Navier-Stokes equation chebyshev spectral-finite element method
全文增补中
CHEBYSHEV SPECTRAL-FINITE ELEMENTMETHOD FOR THREE-DIMENSIONALVORTICITY EQUATION
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作者 郭本瑜 马和平 何松年 《Acta Mathematicae Applicatae Sinica》 SCIE CSCD 1998年第2期140-151,共12页
Combined Chebyshev spectral-finite element schemes are constructed for three-dimensionalunsteady vorticity equation. The generalized stability and convergence are proved strictly.
关键词 chebyshev spectral-finite element approximstion vorticity equation
全文增补中
非线性振动分析的切比雪夫谱元法 被引量:1
10
作者 毛虎平 王伟能 +2 位作者 续彦芳 张艳岗 董小瑞 《噪声与振动控制》 CSCD 2015年第1期73-77,共5页
为了进一步探索Chebyshev时间谱元法求解非线性的振动问题,从Bubnov-Galerkin方法出发,在第二类Chebyshev正交多项式极点处;用重心Lagrange插值来构造节点基函数及其特性,推导了非线性振动问题的伽辽金谱元离散方案,借助Newton-Raphson... 为了进一步探索Chebyshev时间谱元法求解非线性的振动问题,从Bubnov-Galerkin方法出发,在第二类Chebyshev正交多项式极点处;用重心Lagrange插值来构造节点基函数及其特性,推导了非线性振动问题的伽辽金谱元离散方案,借助Newton-Raphson法求解非线性方程组。对于非线性单摆,还需要将二分法和重心Lagrange插值结合求解角频率。以Duffing型非线性振动和非线性单摆振动问题为例,验证了此方法具有现实可行和高精度的优点。 展开更多
关键词 振动与波 非线性振动 切比雪夫正交多项式 谱元法 牛顿-拉夫逊方法
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起伏地表谱元逆时偏移方法 被引量:1
11
作者 刘立民 刘定进 李博 《石油物探》 EI CSCD 北大核心 2021年第2期312-322,共11页
谱元法综合了有限元法边界适应性强和谱方法精度高、收敛快的优点。研发了一种基于谱元法的起伏地表逆时偏移方法,采用切比雪夫谱元法并结合隐式Newmark时间积分法求取波场传播算子,推导出波动方程切比雪夫谱元逆时偏移算法(CSE-RTM),... 谱元法综合了有限元法边界适应性强和谱方法精度高、收敛快的优点。研发了一种基于谱元法的起伏地表逆时偏移方法,采用切比雪夫谱元法并结合隐式Newmark时间积分法求取波场传播算子,推导出波动方程切比雪夫谱元逆时偏移算法(CSE-RTM),该算法在空间上具有谱精度,在时间上达到二阶精度。同时,为了充分利用计算机集群资源,提高该方法的并行效率,基于自由度凝聚和局部松弛的思想,推导了切比雪夫谱元逆时偏移方法的多级并行算法(HEP-CSE-RTM),该算法具有并行效率不随处理器数目增多而下降的优点。二维加拿大起伏地表逆掩断层模型及三维SEAM起伏地表复杂构造模型测试结果表明:该方法在起伏地表复杂构造区成像精度明显高于常规有限差分法逆时偏移,由于该方法本身具有谱方法的稀疏网格快速收敛特性,结合自由度凝聚的多级并行计算,运行效率大幅度提高,达到了与常规有限差分法逆时偏移相当的计算效率。 展开更多
关键词 起伏地表 谱元法 切比雪夫多项式 凝聚自由度 逆时偏移
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切比契夫谱元素局部混合基函数构造
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作者 张理论 宋君强 李晓梅 《计算机工程与应用》 CSCD 北大核心 2002年第13期1-3,共3页
针对切比契夫谱方法,该文首次构造了两类局部混合基函数,据此发展了一种新的谱元素方法:在元素端点采用局部拉格朗日插值基,元素内部采用经调整后的切比契夫多项式。这里的两类混合基函数在计算精度上可与传统的拉格朗日基相媲美,而且... 针对切比契夫谱方法,该文首次构造了两类局部混合基函数,据此发展了一种新的谱元素方法:在元素端点采用局部拉格朗日插值基,元素内部采用经调整后的切比契夫多项式。这里的两类混合基函数在计算精度上可与传统的拉格朗日基相媲美,而且元素矩阵具有稀疏特征和数据重用性。该文给出的局部混合基函数对传统的谱元素方法进行了扩充。 展开更多
关键词 谱方法 区域分解 切比契夫多项式 谱元素 局部混合基函数
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任意载荷振动问题分析的切比雪夫谱元法
13
作者 毛虎平 刘晓洁 +2 位作者 尤国栋 张艳岗 董小瑞 《机械设计》 CSCD 北大核心 2017年第10期49-55,共7页
研究了用Chebyshev时间谱元法求解任意载荷作用下的振动问题,从Bubnov-Galerkin方法出发,深入分析了在第二类Chebyshev正交多项式极点处重心Lagrange插值来构造节点基函数及其特性,推导了任意载荷作用下振动问题的伽辽金谱元离散方案,... 研究了用Chebyshev时间谱元法求解任意载荷作用下的振动问题,从Bubnov-Galerkin方法出发,深入分析了在第二类Chebyshev正交多项式极点处重心Lagrange插值来构造节点基函数及其特性,推导了任意载荷作用下振动问题的伽辽金谱元离散方案,利用最小二乘法求解线性方程组。以线性载荷、三角载荷、半正弦波载荷作用下的振动问题及正弦载荷作用下的悬臂梁的振动问题为例,验证了文中方法的可行性,并与配点法进行比较,进一步说明了文中方法的高精度性和可靠性。 展开更多
关键词 任意载荷 振动 切比雪夫正交多项式 谱元法
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基于切比雪夫谱元模型的成层场地地震反应分析 被引量:5
14
作者 邢浩洁 李鸿晶 杨笑梅 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第2期593-600,609,共9页
将切比雪夫谱元模型应用于成层场地的一维波动分析,发展了一种具有高阶数值格式的场地地震反应时域分析方法。通过谱单元离散基岩和覆盖土体,建立各个单元的波动方程,并在基岩内设置透射人工边界,模拟底部无限域对内域波动的影响;利用... 将切比雪夫谱元模型应用于成层场地的一维波动分析,发展了一种具有高阶数值格式的场地地震反应时域分析方法。通过谱单元离散基岩和覆盖土体,建立各个单元的波动方程,并在基岩内设置透射人工边界,模拟底部无限域对内域波动的影响;利用切比雪夫正交多项式构造高阶单元位移模式,得到空间离散后的场地节点运动方程;利用中心差分原理,结合人工边界的数值格式,推导了一种稳定的时域积分数值方案。最后通过2个算例阐释了该方法在场地地震反应分析中的应用,并与传统方法进行了对比分析。数值试验表明,该方法具有高精度特性,在使用较少节点的条件下仍能得到较为可靠的计算结果,可显著地提高场地地震反应分析的计算效率。 展开更多
关键词 场地地震反应 时域分析方法 切比雪夫谱元模型 高阶数值格式 一维波动
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一类非线性反应-扩散方程的间断Galerkin谱元方法
15
作者 吴华 韩晓飞 《上海大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2014年第6期757-768,共12页
提出了一类非线性反应-扩散方程的间断Galerkin谱元方法,在每个子区间上,基本格式采用Legendre-Galerkin方法,非线性项采用Chebyshev-Gauss-Lobatto插值,跳跃项利用中心数值流量处理,时间方向应用4阶低存储Runge-Kutta格式离散.该方法... 提出了一类非线性反应-扩散方程的间断Galerkin谱元方法,在每个子区间上,基本格式采用Legendre-Galerkin方法,非线性项采用Chebyshev-Gauss-Lobatto插值,跳跃项利用中心数值流量处理,时间方向应用4阶低存储Runge-Kutta格式离散.该方法处理某些初值间断问题有效,并可并行实现;给出了该方法半离散格式下的稳定性和收敛性分析,利用Chebyshev-Gauss-Lobatto插值算子在不带权意义下的逼近结果,获得了按L2-模的最优误差估计;最后,给出了连续问题和间断问题的数值算例. 展开更多
关键词 间断GALERKIN方法 谱元法 反应-扩散方程 chebyshev-Gauss-Lobatto插值
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波动切比雪夫谱元模拟的时间积分方法研究 被引量:2
16
作者 邢浩洁 李鸿晶 《南京工业大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2017年第2期70-76,共7页
由于在波动切比雪夫谱元模拟中使用隐式时间积分方法存在计算效率较低、不易施加边界条件以及波动输入不便的问题,而中心差分法是能够平衡精度和计算效率的较优选择,并以一维波动模型探讨相应的波动输入方法和时域积分稳定条件。通过输... 由于在波动切比雪夫谱元模拟中使用隐式时间积分方法存在计算效率较低、不易施加边界条件以及波动输入不便的问题,而中心差分法是能够平衡精度和计算效率的较优选择,并以一维波动模型探讨相应的波动输入方法和时域积分稳定条件。通过输入Ricker子波以及复合正弦波的数值算例证实了方法的有效性,并接着分析不同计算参数对模拟精度的影响。结果表明:空间上一个最短波长尺度内的谱元节点数、单元阶次分别取不低于5和4时能够达到比较理想的精度,而时间步长变化对精度的影响不大。 展开更多
关键词 波动数值模拟 切比雪夫谱元法 时间积分方法 中心差分法
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水平成层场地地震反应的集中质量切比雪夫谱元分析方法
17
作者 王竞雄 李鸿晶 邢浩洁 《地震学报》 CSCD 北大核心 2022年第1期76-86,共11页
提出了一种用于水平成层场地地震反应分析的时域高阶显式算法.首先,将覆盖土层和基岩划分为若干个切比雪夫谱单元,在模型底部设置多次透射人工边界;其次,以切比雪夫正交多项式构建高阶单元位移模式,通过高斯-洛巴托积分严格导出对角形... 提出了一种用于水平成层场地地震反应分析的时域高阶显式算法.首先,将覆盖土层和基岩划分为若干个切比雪夫谱单元,在模型底部设置多次透射人工边界;其次,以切比雪夫正交多项式构建高阶单元位移模式,通过高斯-洛巴托积分严格导出对角形式的切比雪夫谱单元集中质量矩阵,结合中心差分时域逐步积分格式,建立了高效的集中质量切比雪夫谱元波动模拟方法;最后,利用日本Kik-net强震台网提供的不同类型场地上获得的实际地震观测记录检验了本文方法的有效性.该方法避免了传统切比雪夫谱元法由于具有一致质量矩阵形式而造成的计算效率不高的问题.数值结果表明,本文方法能够较好地预测Ⅰ_(1),Ⅱ和Ⅳ类场地在较弱地震和中等强度地震作用下的地面运动特征,每个波长内仅需布置少量单元即可取得较高精度的计算结果. 展开更多
关键词 水平成层场地 地震反应分析 集中质量 切比雪夫谱单元 显式方法
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二维非线性反应扩散方程的局部间断Galerkin谱元法 被引量:1
18
作者 汪海鹭 吴华 《数值计算与计算机应用》 2020年第1期1-18,共18页
本文提出了二维非线性反应扩散方程的局部间断Galerkin谱元法.在空间方向上采用了Legendre-Galerkin Chebyshev谱配置法,即在每个子区域上,该格式按Legendre-Galerkin谱方法形成,子区域交界面处的跳跃项利用数值流量进行处理,非线性项... 本文提出了二维非线性反应扩散方程的局部间断Galerkin谱元法.在空间方向上采用了Legendre-Galerkin Chebyshev谱配置法,即在每个子区域上,该格式按Legendre-Galerkin谱方法形成,子区域交界面处的跳跃项利用数值流量进行处理,非线性项采用在Chebyshev-Gauss-Lobatto点上的插值进行计算.时间方向上采用四阶低存储Runge-Kutta方法.文中给出了半离散格式下的稳定性和收敛性分析,以及单区域和多区域算法的数值算例,并与间断Galerkin有限元方法进行比较. 展开更多
关键词 局部间断Galerkin方法 谱元法 Legendre-Galerkin chebyshev配置法 反应扩散方程
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