二维自适应技术新进展:从有限元线法到有限元法

二维有限元线法(FEMOL)的自适应分析已经取得成功,而且表现出色.然而,为了进一步推广应用领域,提高效率和效能,将其先进的自适应技术在最常用的有限元法(FEM)当中实现,便成为必然追求.经过近年的研究,已经基本实现了二维自适应分析技术从FEMOL到FEM的跨越,该文意在对这方面的进展作一简要综述与报道.从FEMOL出...     

二维有限元线法自适应分析的若干新进展

有限元线法(FEMOL)是一种优良的半解析、半离散方法,将其比拟为广义一维问题,遂可将一维有限元中十分成功的单元能量投影(EEP)超收敛算法以及基于该法的自适应求解方法推广到二维有限元线法分析中,至今已在二维Poisson方程和弹性力学平面问题中取得了令人满意的进展.该文旨在报道这些进展和成果.该文简要介绍了线法的EE...     

三维有限元分析误差估计与网格自适应细化

本文给出了一种简单的三维有限元网格自动生成方法。在采用三维超收敛恢复方法进行三维有限元应力恢复的基础上，提出了有限元计算结果误差估计公式，建立了误差大小与网格尺寸的关系，并用ＦＯＲＴＲＡＮ语言编制了的三维网格自动生成及其图形显示和误差估计程序。数值实例表明误差估计公式能对计算精度进行可靠的误差估计，实现了网格自适应细化。     

二维变分不等式问题的自适应有限元分析

有限元后处理超收敛计算的EEP(单元能量投影)法以及基于该法的自适应有限元分析已在一维变分不等式问题的求解中取得显著成功。以此为基础,该文对二维变分不等式问题成功地实现了自适应有限元分析。该文提出二维区域二分法和二维C 检验技术,有效地提升了松弛迭代的收敛速率,进而应用EEP 超收敛公式计算超收敛解答,用其检验误差并指导网格细分。该文给出的典型数值算例表明该文算法高效、稳定、精确,解答可逐点以最大模度量满足精度要求,堪称为数值精确解。     

自适应有限元线法在二维无穷域问题中的应用

无穷域问题广泛存在于实际工程中,半解析、半离散的数值计算方法—有限元线法（Finite ElementMethod of Lines,简称FEMOL）对其具有较好的适应性。在已有的映射型FEMOL无穷单元理论的基础上,基于单元能量投影（Element Energy Projection,简称EEP）法的自适应FEMOL被应用于二维无穷域问题的求解。用户只需输入稀疏的初始网格和误差限,算法即自动生成优化的FEMOL网格,该网格上常规单元和无穷单元的FEMOL解均按最大模度量满足给定误差限。文中首先介绍二维FEMOL的原理策略、无穷单元的构建,然后概述基于EEP法的自适应FEMOL算法,并讨论其对无穷域问题的适用性,之后对圆柱绕流的Poisson方程问题、带孔无穷大板单向拉伸的弹性力学平面问题、受圆形均布荷载半空间体的三维轴对称问题进行了自适应分析,最终不仅给出了满足误差限的函数（位移）解,也给出了具有优良性态的导数（应力）解,从而为无穷域问题的求解提供了一种高效可靠的新途径。     

二维有限元线法超收敛解答计算的EEP法

有限元线法(FEMOL)是一种优良的半解析、半离散方法,但其解答存在解析方向和离散方向的精度不相称的弱点。本文提出将二维有限元线法比拟为广义一维问题的概念,遂可将新近提出的一维有限元超收敛计算的单元能量投影(EEP)法推广到二维有限元线法分析中。经有限元线法后处理中EEP超收敛计算而获得的解答,继承和保留了一维有限元中的出色表现,不但使任意一点的位移和应力的解答在两个方向具有相当的精度,而且都具有超收敛性质。文中以二维Poisson方程问题为例,具体给出了有限元线法EEP超收敛的公式,并给出了数值算例,用以表明本法的可行性和有效性。     

运动方程时程单元先验步长估计初探

基于单元能量投影(element energy projection,EEP)法和边值问题固端法的思想,将其扩展至运动方程问题。该文以单自由度线性元为例,采用Taylor级数渐近展开,对问题的求解进行实质性简化计算;探讨了不经有限元求解便可进行先验定量误差估计的算法;进而实现了自适应单元步长的先验估计和确定。该文给出初步算例,验证了该方法的可行性和有效性。     

二维自由振动的有限元线法自适应分析新进展

有限元线法(FEMOL)是一种优良的半解析、半离散方法,可将其比拟为广义一维问题,进而将一维有限元中单元能量投影(EEP)法及相应的自适应求解技术引入,使FEMOL由半解析方法变为完全解析、数值精确的方法。在对二维线性问题成功地实现了自适应FEMOL分析的基础上,该文进一步报道FEMOL自适应方法在二维自由振动问题中的成功应用和最新进展。该文简要介绍了FEMOL自适应分析二维振动问题的求解策略和技术,整套方法思路清晰、算法严谨、高效可靠,可以得到满足精度要求的自振频率和按最大模度量满足用户事先给定误差限的振型,均为数值精确解。该文给出的数值算例表明所提出的算法具有高效、稳定、通用、可靠的优良特性。     

二维自由振动问题的自适应有限元分析初探

自由振动反映结构动力特性,是抗震分析和结构设计的重要基础。近年来,基于单元能量投影（EEP）法的自适应有限元分析已在一系列线弹性及非线性问题中取得成功,而有限元线法（FEMOL）自适应分析在二维自由振动问题中的应用也被证实是有效的。在此基础上,该文进一步提出二维自由振动问题的自适应有限元分析方法。通过将特征值问题线性化,合理引入二维线性问题的EEP超收敛计算和自适应求解技术,该法可得到满足精度要求的自振频率和按最大模度量满足用户给定误差限的振型。该文以弹性薄膜为例,介绍了这一进展,并给出数值算例以表明该方法的有效性和可靠性。     

以频率误差控制为目标的自由振动问题自适应有限元分析EI北大核心CSCD

对于自由振动问题,基于单元能量投影(element energy projection, EEP)技术,对频率和模态同时进行误差控制的自适应有限元分析已建立,并被证明可靠且高效。在实际应用中,也存在另一类需求,即只需保证频率的精度,而并不关心模态误差大小。该研究提出了频率超收敛计算方案,继而建立了整体频率误差和局部模态误差的转换关系,从而在整体上以频率误差估计控制算法停机,在局部上以模态误差估计驱动网格更新,最终建立了以频率误差控制为目标的自由振动问题自适应有限元分析策略。该方法的有效性在二阶Sturm-Liouville问题及弹性薄膜自由振动问题上得到了应用验证。     

一维Ritz有限元超收敛计算的EEP法简约格式的误差估计

该文对一维问题Ritz有限元后处理超收敛计算的EEP(单元能量投影)法简约格式给出误差估计的数学证明,即对足够光滑问题的(>1)次单元的有限元解答,采用EEP法简约格式计算得到的单元内任一点位移和应力(导数)超收敛解均可以达到的收敛阶,即位移比常规有限元解的收敛阶至少高一阶,而应力则至少高二阶。     

车辐式屋盖结构的一种索力识别方法的误差研究

基于一种由静力位移测量值识别车辐式结构索力的方法,该文评估了位移测量误差对于索力识别结果的影响,用数值计算及理论推导得到了二者的关系。索力识别误差是位移测量误差的单调函数。在位移值远大于测量误差时,该函数接近线性,否则有明显的非线性。在误差幅值相同的情况下,选择不同的加载及测量方案,索力识别的精度是不同的：单位荷载产生的节点位移越大,索力识别结果的误差就越小。对多种加载-测量方案进行了比选,归纳了制定索力识别方案时应遵循的原则：加载方案应使结构的几何刚度发挥主要作用。对车辐式结构而言,在荷载总量一定的情况下,在半跨或1/4跨布置荷载能获得较好的索力识别结果。     

有限元网格修正的自适应分析及其应用

本文在对有限元变量连续条件分析的基础上，将应力误差范数用于计算结果的误差估计，使非结构化网格生成系统与有限元计算有机地结合起来，并将网格单元修正的自适应分析应用于二维应力集中问题的研究，从而实现了有限元最佳化离散，提高了有限元数值求解的可靠性和近似程度。     

SENSITIVITY ANALYSIS FOR BOUNDARY ELEMENT ERROR ESTIMATION AND MESH REFINEMENT

The subject of this paper is the sensitivity analysis of approximate boundary element solutions with respect to the positions of the collocation points. The direct differentiation approach is considered here and the analysis is performed analytically. Since only the collocation points are perturbed, the shape of the body and the corresponding discretization remain unaltered. This aspect makes the present work quite different in spirit with respect to earlier analyses on shape sensitivities. Sensitivities of approximate BEM solutions with respect to the positions of collocation points are shown to be related to the residual of hypersingular integral equations. Numerical results confirm that the present approach can be seen as the analytical counterpart of an adaptive scheme for mesh refinement presented by the same author in some recent papers. Some other advantages of the present approach over the former one are also outlined.     

COMBINATION OF ADAPTIVITY AND MESH SMOOTHING FOR THE FINITE ELEMENT ANALYSIS OF SHELLS WITH INTERSECTIONS

A compatible hierarchical adaptive scheme is proposed which allows to control both density and geometrical properties of meshes with four-node linear finite shell elements. The algorithm produces a sequence of meshes with two aims, nearly equal distribution of the local error in each element and a mesh with regular elements, thus internal element angles near 90° and length ratios of adjacent element sides near unity. This goal is achieved in an efficient manner imposing a combination of a local smoothing algorithm with the adaptive mesh generation. New created nodes are positioned on the real shell surface and shell boundaries which may be given e.g. by CAD data. Also the shell directors are determined from the normals on the real geometry. Shell intersections are detected automatically as common curves of two adjacent shell parts. As a shell continuum cannot be assumed for these intersections and thus simple standard adaptive schemes fail, shell intersections have to be treated in a way similar to shell boundaries. For some numerical examples the developed algorithms are demonstrated and the resulting meshes are shown. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

膜结构极小曲面找形的一种自适应有限元分析

找形分析是膜结构设计中的关键环节,但在数学上,膜结构的极小曲面找形分析是一个高度非线性问题,一般无法求得其解析解,因此数值方法成为重要工具。近年来,基于单元能量投影法（EEP法）的一维非线性有限元的自适应分析已经取得成功,基于EEP法的二维线性有限元自适应分析也被证实是有效、可靠的。在此基础上,该文提出一种基于EEP法的二维非线性有限元自适应方法,并成功将之应用于膜结构的找形分析。其主要思想是,通过将非线性问题用Newton法线性化,引入现有的二维线性问题的自适应求解技术,进而实现二维有限元自适应分析技术从线性到非线性的跨越,将非线性有限元的自适应分析求解从一维问题拓展到二维问题。该方法兼顾求解的精度和效率,对网格自适应地进行调整,最终得到优化的网格,其解答可按最大模度量逐点满足用户设定的误差限。该文综述介绍了这一进展,并给出数值算例用以表明该方法的可行性和可靠性。     

考虑热松弛的热弹耦合二维问题的有限元法

为了解决利用积分变换方法在求解Lord-Shulman (L-S)型广义热弹性耦合二维问题时由于数值反变换所引起的计算精度降低的问题,该文采用新近被应用的直接有限元方法,求解了基于L-S型广义热弹性理论的半无限大体受热冲击作用的动态响应问题,结果表明,该方法对求解L-S型广义热弹性耦合二维问题具有很高的精度。该文给出了L-S型广义热弹性理论下的热弹耦合的控制方程,建立了L-S型的广义热弹性问题的虚位移原理,推导得到了相应的有限元方程。经计算得到了半无限大体中无量纲温度、位移及应力的分布规律,从温度分布图上可以清晰地观察到热波波前的特有属性,即热波波前处存在温度突变。