Winkler地基上正交各向异性板计算的自然单元法

自然单元法是一种基于Voronoi图及Delaunay三角形剖分图,以自然邻接点插值为试函数的一种无网格数值方法.基于自然单元法中自然邻接点的Laplace插值形函数,求出了其一阶及二阶导函数,建立了Winkler地基上正交各向异性Kirchhoff弹性薄板的自然单元法求解控制方程,并进行了相应的程序实现,最后通过算例分析表明了该方法的可行性和有效性.     

三维轴对称功能梯度材料瞬态热传导问题的自然单元法

为了更有效地求解三维轴对称功能梯度材料瞬态热传导问题,对无网格自然单元法应用于此类问题进行了研究,并发展了相应的计算方法。基于几何形状和边界条件的轴对称性,三维的轴对称问题可降为二维平面问题。为了简化本质边界条件的施加,轴对称面上的温度场采用自然邻近插值进行离散。功能梯度材料特性的变化由高斯点的材料参数进行模拟。时间域上,采用传统的两点差分法进行离散求解,进而得到瞬态温度场的响应。数值算例结果表明,提出的方法是行之有效的,理论及方法不仅拓展了自然单元法的应用范围,而且对三维轴对称瞬态热传导分析具有普遍意义。     

无网格自然邻接点法及其在岩土工程数值模拟中的应用

基于Laplace插值函数提出了一种类似于无单元伽辽金法的无网格方法——无网格自然邻接点法。该方法克服了自然单元法需要全域三角形网格以及无单元伽辽金法难以准确施加位移边界条件和材料不连续条件、形函数的计算复杂、权函数的选择困难等缺点,适合于考虑多种材料、多步施工过程等复杂岩土工程的自动数值模拟。详细讨论了这种无网格自然邻接点法的分析过程和基本理论,给出其在杆、梁、节理单元和材料不连续面等方面的处理办法,并用一些标准算例和实际的地下工程算例对本文方法的效率、精度和可靠性进行了验证。     

径向基函数配点法分析三维功能梯度材料板的静力和动力问题

传统配点法在求解动力学问题时会存在误差随时间累积的问题,而无网格径向基函数配点法在全域内采用具有无限连续性的径向基函数作为近似函数,结合配点法构建方程,通过最小二乘法进行求解。无网格径向基函数配点法不仅在数值计算过程中不需要任何网格,是真正的无网格法,而且易于离散,精度高,不需要积分,计算效率高;径向基函数的近似函数仅与距中心点的距离有关,非常适宜于求解三维问题。对于这种方法,本文先离散空间域,然后再离散时间域,并在每一时间步内施加边界条件,来分析三维功能梯度材料板的静力和动力问题,据此可解决传统配点方法在求解动力问题时误差随时间累积的问题。数值分析表明,材料性能呈梯度分布会导致其力学性能在梯度方向呈现非线性变化,不同的梯度分布模式会导致力学性能非线性变化的幅度不同。     

弹性动力学的无网格流形方法

运用无网格流形方法求解弹性动力学问题，是利用单位分解法和有限覆盖技术建立形函数，形函数的建立不受域内不连续的影响，可较好地求解弹性体内连续和非连续动力学问题。对于局部化问题，该方法的形函数构造较其他方法更为有效，避免了其他方法在建立试函数时没有考虑不连续尖端的缺点。采用有限覆盖技术建立试函数，该方法克服了不连续问题对试函数的影响，尤其当不连续问题变得复杂时，更能显示该方法在处理不连续问题方面的优点。在求解弹性动力学问题时，弹性动力学积分弱形式的推导采用加权残数法，空间离散采用基于单位分解法的无网格流形方法，时间离散主要采用Newmark法。最后，给出数值算例，将计算结果与解析解对比，说明了该方法的正确性和可行性。     

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。     

一种新的岩体力学数值计算方法——叠单元法

提出了一种新的岩体力学数值计算方法——叠单元法。首先,对含多条不连续面的复杂岩体,将其离散成不含不连续面的整体网格和各条不连续面及其邻近区域的局部网格,而且网格之间相互独立。位移场通过在各网格中插值并叠加得到。然后,由虚功原理推导出了整体平衡方程中的广义刚度矩阵和荷载向量的具体表达式,并对其数值积分方法进行了讨论。最后,分析了2个平面应力问题的算例,且通过与有限单元法的计算结果进行对比,验证了叠单元法的准确性和合理性。叠单元法的最大特点是可以将复杂岩体的网格划分工作分解成几个相互独立的简单网格,从而使网格离散变得简便易行。该方法可以直接推广到三维问题和非线性问题中,因此,有望广泛应用于复杂岩体的变形与稳定分析。     

二维势问题的杂交边界点法

提出了二维势问题的杂交边界点求解方法。该方法将用于杂交边界元的修正变分原理与移动最小二 乘法结合起来,不但具有边界元法降维的优点,而且是一种真正的无网格方法,即：该方法既不需要插值网格,也不需要积分网格,它的输入数据只是求解域边界上的离散分布的点。数值算例表明：该方法的数值解与解析解吻合得非常好,并且收验速度高。域内未知量的计算不需要象在边界元法和边界点法中做的那样,再一次沿边界积分。     

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。     

裂纹扩展分析的无网格流形方法

运用无网格流形方法求解裂纹扩展问题。该方法利用单位分解法和有限覆盖技术建立形函数。形函数的建立不受域内不连续面的影响,可较好地求解裂纹问题。尤其当这种不连续面变得复杂时,更能显示该方法的优点。对于应变局部化问题,该方法的形函数构造较其他方法更为有效,避免了其他方法在建立试函数时不能考虑不连续尖端的缺点。与传统的数值流形方法相比,无网格流形方法的有限覆盖形状更加灵活。它可以用一系列节点的影响域来建立有限覆盖和单位分解函数,具有无网格方法的特性,从而摆脱了传统数值流形方法中网格所带来的困难。与目前的无网格方法相比,由于采用了有限覆盖技术,试函数的构造不受域内不连续面的影响,克服了原有的无网格方法在处理不连续问题时所遇到的困难。在求解裂纹扩展问题时,弹性力学基本方程的弱形式采用加权残数法获得。最后利用无网格流形方法追踪岩体试件在复杂应力状态下裂纹扩展过程。在此给出了数值算例,并将计算结果与实验结果进行对比,说明该方法的正确性和可行性。     

The complex variable element-free Galerkin (CVEFG) method for elasto-plasticity problems

Based on the complex variable moving least-squares (CVMLS) approximation and element-free Galerkin (EFG) method, the complex variable element-free Galerkin (CVEFG) method for two-dimensional elasto-plasticity problems is presented in this paper. The CVMLS approximation is an approximation method for a vector function. Under the same node distribution the meshless method based on the CVMLS approximation has higher precision than the one based on the moving least-squares (MLS) approximation. For two-dimensional elasto-plasticity problems, the Galerkin weak form is employed to obtain the equations system, and the penalty method is used to apply the essential boundary conditions, then the corresponding formulae of the CVEFG method for two-dimensional elasto-plasticity problems are obtained. Compared with the EFG method, the CVEFG method can obtain greater precision. For the purposes of demonstration, some selected numerical examples are solved using the CVEFG method.     

Large deflection analysis of flexible plates by the meshless finite point method

The classical finite difference technique and methods based on series expansions can only be adopted for solving plates with simple geometry, loading and boundary conditions. In contrast, the finite element method has been widely used for general analysis of bending and flexible plates (coupled bending and in-plane effects). Lack of stress continuity and relatively expensive mesh generation and remeshing schemes have led to the emergence of meshless methods, such as the finite point method (FPM). FPM is a strong form solution which combines the moving least square interpolation technique on a domain of irregularly distributed points with a point collocation scheme to derive system governing equations. In this study, coupled nonlinear partial differential equations of fourth order are solved to analyse large deflection behaviour of plates subjected to lateral and in-plane loadings. Several plate problems are solved and compared with analytical solution and other available numerical results to assess the performance of the proposed approach.     

节理岩体渗流的无网格与有限元耦合方法

节理岩体的渗透破坏、节理岩体中石油渗流、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关,而节理岩体渗流介质的非均质性和各向异性特性、边界条件和几何形状的复杂性、初始条件的不确定性等因素制约着解析法在渗流计算中的应用。应用无网格法来求解节理岩体的渗流问题,建立节理岩体渗流的无网格与有限元耦合方法。通过变分原理详细推导无网格与有限元耦合方法求解节理岩体渗流的离散方程及相关计算公式,并利用耦合方法对边界条件进行处理。最后,给出的数值算例说明该方法的正确性和有效性。     

扩展的无网格流形方法

无网格流形方法采用了有限覆盖技术,克服了原有无网格类方法中在处理位移场中不连续时所采用绕射准则、透明准则和通视准则等经验方法的不足,给出了无网格类方法在处理不连续时的数学依据。在无网格流形方法中,当不连续没有贯穿该节点所形成的覆盖时,不连续将覆盖分割成不规则的子覆盖,给计算结果带来一定误差。为弥补该方法的不足,在无网格流形方法中引入强化分析方法。利用裂纹尖端位移场中的奇异项来扩展原有无网格流形方法的基函数,提出了扩展的无网格流形方法。最后给出数值算例,说明该方法的正确性和有效性。     

新型滑动最小二乘技术的实现及其在无网格法中应用

无网格法是一种求解偏微分方程的有力工具,该技术具有局部化技术的无单元特性。在各种无网格法中,场函数近似采用滑动最小二乘最为常见,其在精度和前后处理等方面有着明显的计算优势。全面介绍各种滑动最小二乘近似技术和插值特点,尤其是基于奇异权函数的滑动最小二乘插值技术,并应用到无网格法中,可以自然满足Dirichlet条件,从而可以省去Lagrange乘子;同时对一、二维算例进行计算,将其结果与精确解和经典的FEM解进行比较。     

偏心加筋板的弹性屈曲分析

本文在同时计及板和偏心筋条的面内和面外位移的情况下,建立了能适应各种筋条尺寸和位置的离散型偏心加筋板稳定性控制方程式,采用半解析数值方法把因筋条偏心而产生的三个耦合偏微分方程转化为常系数微分方程,并采用加权残值方法导出齐次方程组,最终化为广义特征值问题予以求解.数值计算结果表明,本文方法简便可靠,精度较好.     

Mesh-free Method for Soil-water Coupled Problem within Finite Strain and Its Numerical Validity

A formulation of the Element-Free Galerkin Method (EFG method), i.e., one of the mesh-free/meshless methods developed in the field of computational mechanics for solving partial differential equations, is furnished for consolidation within finite strain and its validity for application to soil-water coupled problems is examined through a numerical analysis. The numerical strategy is constructed to solve a set of governing equations, e.g., the equilibrium for the nominal stress rate and the continuity of pore water, and the numerical discretization of the weak form of the governing equations leads to an updated Lagrangian scheme. The accuracy of the proposed numerical strategy is examined through an analysis of unconfined compression tests and simple shear tests under undrained and plane strain conditions through a comparison of stress paths integrated directly from the Cam-clay model within the framework of finite strain. It is also revealed that the particular type of weight function to be adopted in the moving least-squares (MLS) approximation, even in the same order, can determine the resultant shape functions of the EFG method for both the displacement and the pore water pressure field such that they are smoother than those of the usual FEM. The functions are advantageous in that they avoid spatial instability in the numerical solutions for pore water pressure under undrained conditions appearing in saturated soil column tests, where the shape function of the pore water pressure in the conventional FEM computation is adopted as a lower order than that of the displacement to remedy this type of numerical difficulty. To emphasize the applicability and the feasibility of the mesh-free computation, the consolidation phenomena are demonstrated in the analysis of a punch problem for a soft soil foundation which has stress singularity under both ends of a rigid loading platen for the same problem which Yatomi et al. (1989) solved with FEM.