部分重叠覆盖流形法的覆盖加密方法

部分重叠覆盖的流形法是一种新型的数值流形方法,它以独立覆盖的分析为主,便于在各区域采用合适的覆盖函数以适应物理场的局部特征。以往的研究表明,在实际物理场分布较复杂的区域采用较小的覆盖可以更好地逼近真实解,这就涉及到与周边较大覆盖的连接问题。针对部分重叠的矩形覆盖提出覆盖加密方法,可以很容易地将大覆盖加密成为较小的覆盖,并使其与周边的大覆盖保持协调过渡,相对于以往采用有限元网格的流形法而言在大小网格过渡上要方便得多。应用重力坝应力分析和圆孔应力集中2个算例验证了该方法的有效性。     

数值流形法独立覆盖区域的一种自动选取方法

部分重叠覆盖的数值流形法是一种以独立覆盖为主的分析方式。为了在常规尺寸单元的数学网格中自动选取独立覆盖区域,应用图的着色方法将数学网格的单元分为若干个独立集。在此基础上,以独立覆盖区域最多为原则,选择用于定义独立覆盖的单元(其所有结点覆盖合并为一个覆盖),其余单元作为重叠区域以保持连续性,不属于独立覆盖单元的结点作为常规的结点覆盖。通过算例,揭示了重叠覆盖间的线性相关仅存在于数学网格边界上的结点覆盖,覆盖合并可以减少整体刚度矩阵零特征值的数目,甚至完全避免线性相关。     

基于独立覆盖的流形法的收敛性及覆盖网格特性

针对前期提出的基于部分重叠覆盖的数值流形方法,将其内涵范围缩小,仅研究其中的一种情况——基于独立覆盖的数值流形方法。从完备性和协调性2个方面讨论该方法的收敛性,特别强调其收敛性是基于各个独立覆盖的逼近而建立起来的,独立覆盖之间条形连接区域的尺寸要取小,并由此推断及用实例说明,覆盖网格可以具备“3个任意”的优良特性——任意形状、任意连接以及由此而来的可任意加密的能力,从而有望使数值计算的前处理工作大为简化。     

基于矩形独立覆盖初步实现结构静力分析的自动计算

采用前期研究的基于矩形独立覆盖的新型数值流形法,提出结构线弹性静力分析的自动计算方法,包括自动的前处理、自适应分析等。根据独立覆盖的特点提出几个后验误差指标:独立覆盖之间条形连接区域的应变连续性指标;边界应力指标和独立覆盖的高阶误差指标。利用新方法的h型网格加密及p型升阶的方便性,选择一种路径尝试h-p型的混合自适应,其中,对于矩形独立覆盖采用简单的二分法实现覆盖加密。通过几个二维算例验证了新方法实现自动计算的可行性,只需人工输入结构外形、材料参数和边界条件,其它工作完全交由计算机完成,最终得到满足一定精度的计算结果。     

基于任意形状网格和精确几何边界的数值计算

有限元网格形状要尽可能规则,网格之间必须通过结点连接,这些要求给复杂形状求解域的数值计算带来很大的前处理工作负担,而且实际的曲线边界一般要离散成有限单元能够描述的形式,难以模拟CAD模型的精确几何。针对这些问题,基于独立覆盖流形法提出任意形状且任意连接的覆盖网格,在CAE分析中模拟CAD模型的精确几何边界及其边界条件:将求解域划分为可包含曲线边的任意形状的块体网格,可以采用单纯形解析积分和数值积分2种方式进行块体积分;仅需在积分过程中考虑块体之间的窄条形(包括曲线条)的覆盖重叠区域,而不必在计算模型中生成这些条形;通过边界条实现本质边界条件的严格施加,包括曲线上的边界条件;给出2个数值算例验证了方法的有效性。任意形状的覆盖网格将为实现基于精确几何模型的数值计算及其完全自动化的前处理开辟新的路径。     

基于独立覆盖流形法的板壳与实体单元刚性连接研究

有限元计算中,板壳单元与实体单元之间的连接需要进行特殊处理,且两者在连接处的网格必须匹配。前期基于独立覆盖流形法提出了梁板壳数值分析的分区级数解。在此基础上,研究了板壳与实体单元的刚性连接。由于板壳也采用了实体计算模式,因此与实体之间通过覆盖重叠区域自然连接。基于覆盖任意连接的特性,将板壳插入到实体中形成覆盖重叠区域。实体单元和板壳单元可以各自划分网格,在连接处不必要求网格匹配,有利于前处理工作,在网格划分达到一定密度的情况下能得到高精度的计算结果。通过变截面的悬臂梁算例、球面壳与实体基座连接算例,验证了方法的有效性,并初步展示了曲壳与实体相交曲线的精确几何。此外,还修正了新方法的三维弹性矩阵。     

基于独立覆盖流形法的CAD与CAE融合研究

采用前期笔者提出的独立覆盖流形法,尝试CAD和CAE融合的新途径。以二维结构的线弹性静力分析为例,实现从CAD到CAE的无缝连接,以及CAE的完全自动化分析。在基于前期CAD几何的流形法研究基础上,给出NURBS曲线(CAD中的通用图形标准)与直线的切割算法,实现CAD几何模型在CAE建模和网格细化中的保形性;通过Auto CAD的DXF图形格式,将CAD中的结构形状、荷载及约束信息直接输出到CAE;基于矩形独立覆盖的自适应分析技术,实现结构静力分析的自动化计算;自动生成有限元网格用于计算结果后处理的图形输出。综合以上研究,用一个二维结构静力分析算例演示了从CAD几何建模和输出,到CAE的自动前处理、自动分析、自动后处理的完整过程,所有的人工操作仅限于CAD中,而CAE分析过程无需人工参与,就可以获得满足设定精度的计算结果。     

独立覆盖误差分析的子模型法

在应用独立覆盖流形法进行自适应分析的前期研究中,发现独立覆盖内部误差不易控制的问题,基于此,提出独立覆盖误差分析的子模型法。在单独的独立覆盖内进行覆盖函数的升阶操作,通过高、低阶之间的相对误差获得独立覆盖内部的逐点误差指标。详细介绍了子模型法的实施步骤,用重力坝算例验证了该方法能有效控制独立覆盖内部误差,不仅解决了目前存在的问题,还为将来实现逐点的误差控制打下基础。最后对独立覆盖流形法的收敛原理及误差控制方法进行了初步的理论分析和讨论。     

一维对流扩散方程的独立覆盖分析方法

针对现有的各种数值方法在求解一维对流扩散方程时容易出现的数值振荡、假扩散等计算稳定性和计算精度不足问题,提出应用独立覆盖流形法进行数值求解的新思路,即分区的多项式级数逼近。基于标准的伽辽金法推导一维对流扩散方程的独立覆盖流形法求解公式。采用场变量的一阶导数在独立覆盖之间的窄条形覆盖重叠区域是否连续的后验误差估计方法,通过覆盖加密和级数升阶的h-p型混合自适应进行自动求解。给出的稳态和非稳态分析算例结果表明:分区级数的数值解稳定地逼近于精确解,最终两者很好地吻合;对于对流占优问题,自适应求解可以有效避免数值振荡。另外还尝试了将数值解代回微分方程计算残差作为误差指标,如果能使微分方程逐点满足,那么将是对数值解最严格的误差判断。     

梁的独立覆盖分析方法

采用前期提出的独立覆盖流形法,提出梁的独立覆盖分析方法。该方法的特点是:与实体分析采用同一模式,可以应用完全多项式的覆盖函数进行梁的实体分析,或使多项式中的某些项不参与计算来模拟梁的基本假设,从而实现Timoshenko梁和Euler-Bernoulli梁的计算;仅要求近似场函数的C₀连续性;避免了Timoshenko梁在求解细长梁时的剪切自锁;即使对于实体分析而言,通常情况下也不存在由于梁高远小于梁长而导致的数值病态。为体现梁结构的特点,以二维的矩形截面梁为例,给出了局部坐标系下的独立覆盖流形法公式,以及“先截面、后轴向”的积分方式,并用几个算例验证了方法的有效性。本思路可以直接推广到求解三维问题,为梁板壳分析提供全新的途径。     

高阶数值流形方法的速度公式

高阶数值流形方法可以显著提高结构计算精度,但目前在涉及大位移的动力分析中往往得到精度很差、甚至不正确的速度结果。基于平面三角形数学网格和一阶多项式覆盖函数,通过一个刚体杆件旋转算例探讨其中的原因,得出必须考虑构形坐标变化对速度的影响,并提出高阶流形法的3种速度处理方法及相应的高阶速度公式。该方法对一些在结点处增加广义自由度的类似方法(如广义有限元)的几何非线性问题分析也具有一定的参考价值。     

裂纹尖端解析解与周边数值解联合求解应力强度因子

由于裂纹尖端位移和应力分布的复杂性,采用常规数值方法（如有限元法）的插值方式不易获得快速收敛的应力强度因子计算值。基于数值流形方法,提出将裂纹尖端Williams解析解与其周边高阶多项式级数的数值解联合应用以求解应力强度因子的新方法：在裂纹尖端所在网格的结点上采用Williams位移解析级数,并用结点自由度强制约束方式得到裂纹尖端区域的解析级数;在与之相邻的周边网格内将解析级数与多项式级数用形函数连接;给出应变矩阵和刚度矩阵的具体表达式及积分方式;利用数值流形方法的网格与材料边界分离的特性以及不连续覆盖技术,使裂纹可以在网格内穿过,给材料边界（包括裂纹边界）附近的网格划分带来很大的方便;通过典型算例验证了方法的有效性。考虑到Williams级数是对裂纹尖端位移场的最佳逼近,这种新方法相比扩展有限元等其他新方法而言将有更快的收敛性。     

独立覆盖流形法的本质边界条件施加方法

目前,数值流形方法、无网格法等新的数值计算方法存在本质边界条件不易严格施加的问题。针对笔者前期提出的独立覆盖流形法,通过一个悬臂梁的例子,系统地分析了本质边界条件施加问题。采用多项式覆盖函数,提出了改进边界覆盖函数和直接设定独立覆盖函数2种方法,不仅严格满足边界条件,而且能保证边界附近的近似函数逼近真实解。这2种方法避免了常用罚函数法中的罚数取值对计算结果和方程性态的影响问题,而且只需令部分自由度不参与计算就能实现,操作简单。通过设置覆盖函数来施加边界条件的方式可供其他新方法借鉴。