WAVE INTERACTION WITH DOUBLE-CYLINDER STRUCTURER WITH ARC-SHAPED POROUS OUTER WALL

应用比例边界有限元法（SBFEM）研究了短峰波与圆筒外接圆弧开孔结构物的相互作用．求解时将外接圆弧延伸构建一个虚拟圆,该圆的孔隙影响系数可由矩阵Go统一进行表达．整个流场可划分成一个有限域和一个无限域．SBFEM只需对虚拟圆边界进行离散,使空间维数降低一阶,在圆的半径方向保持解析,并且无限域处的辐射边界条件能自动满足．利用变分原理推导SBFEM方程,有限域和无限域分别采用贝塞尔函数和汉克尔函数作为基函数来求得对应域的解．将计算结果与解析解和其他数值方法进行了比较,验证了该方法是一种用很少单元便能得到精确结果的高效算法．进一步研究了诸如短峰波波向、结构的几何、材料参数等因素对结构所受波浪载荷及绕射波轮廓的影响,并进行了分析．     

短峰波与双层开孔圆筒柱相互作用的数值分析

应用比例边界有限元法（SBFEM）研究了短峰波与双层开孔圆筒柱相互作用。该方法将整个计算域划分成两个有限子域和1个无限子域,利用SBFEM使空间维数降低一阶,并在降维方向保持解析的特点,只需对求解域外圆柱边界进行离散。通过比例坐标与直角坐标之间的转换,并利用变分原理推导了各个子域的SBFEM方程。然后,SBFEM针对有限域和无限域分别采用贝塞尔函数和汉克尔函数作为基函数来求解对应域的解,并将计算结果与解析解进行比较,验证了该方法是一种用很少单元便能得到精确结果的高效方法。进一步研究了诸如相对波数ka、内外柱半径比a/b和内外壁孔隙影响系数G等对双层开孔圆筒柱结构所受波浪荷载、结构内外侧波浪爬升及绕射波轮廓的影响。为双层开孔圆筒柱水动力分析和结构设计提供了有价值的参考。     

裂缝分析的比例边界有限元与有限元耦合的虚拟结构面模型

比例边界有限元法SBFEM(Scaled Boundary Finite Element Method)是一种半解析数值方法,在裂缝分析特别是强度因子计算上具有相当高的精度。本文提出了一种用于裂缝分析的基于虚拟结构面的SBFEM与常规FEM的耦合分析方法。首先选取裂缝周边一定范围的计算域,并将结构分成不含裂缝区域和含裂缝区域两部分。然后,对不含裂缝区域,采用FEM进行网格离散;对含裂缝区域,采用SBFEM进行网格离散;两者相互独立,在这两个域内,分别采用各自相应的位移模式。最后通过在SBFEM网格的外边界设置虚拟耦合结构面的模式,实现有限元网格和比例边界有限元网格的耦合。通过两个经典的含裂缝平板的算例研究,探讨了本文方法在I型开裂和混合型开裂分析中,影响应力强度因子精度的因素。算例表明,SBFEM具有的降维和半解析性质,使本文方法在裂缝分析中的前处理简单易行,且计算结果具有相当高的计算精度。     

三维势流场的比例边界有限元求解方法

比例边界有限元法(SBFEM)是线性偏微分方程的一种新的数值求解方法。该方法只对计算域边界利用Galerkin方法进行数值离散,相对于有限元方法(FEM)减少了一个空间坐标的维数,而在减少的空间坐标方向利用解析方法进行求解;相对于边界元法(BEM),比例边界有限元方法不需要基本解,避免了奇异积分的计算,所以它结合了有限元和边界元方法的优点。本文建立了利用比例边界有限元法求解三维Laplace方程的数值模型并用于计算三维物体周围的水流场,将计算结果与解析解和边界元方法进行了对比,结果表明此方法可以很好地模拟水流场,且具有较高的计算精度。     

半平面问题远域辐射阻尼的时域边界元法模拟研究

辐射阻尼在岩石基坑爆破开挖、边坡稳定、结构抗震以及结构-地基动力相互作用等实际工程问题中具有重要意义.为了模拟半平面问题的远域辐射阻尼,以时域边界元法(TD-BEM)理论为基础,根据应力波在弹性介质中的传播特性,在时域内提出了一种新的单元,即自适应半无限边界单元,专门用于离散远域半无限边界.该单元外侧节点是一个始终处于应力波波前位置的动态节点,保证计算区域在任何情况下都恰好包含应力波的影响范围,从而模拟远域辐射阻尼.最后,分别采用近场和远场动力荷载作用下的弹性半平面算例进行验证,并将结果与有限元法FEM和常规TD-BEM结果进行综合对比.结果 表明,采用自适应半无限单元的TD-BEM满足半无限域的辐射条件,较好地解决了远域辐射阻尼的模拟问题,且在计算时间成本与常规TD-BEM几乎相同的前提下,具有更高的计算精度.     

基于数据驱动的薄板结构多裂纹反演方法

采用比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods,SBFEM)模拟薄板结构内Lamb波的传播过程，将SBFEM和最大信息系数相结合，研究了缺陷参数与观测点位置的相关性，为缺陷反演时传感器布置位置的选取提供了依据。在此基础上建立了基于SBFEM数据集和深度学习的结构内部多裂纹反演方法，将多裂纹反演归类为分类和回归预测问题，可在未知裂纹数量的情况下反演出裂纹的数量、位置和大小，并通过数值算例验证了该方法能够较好地进行裂纹状缺陷数量和参数的反演。     

热传导问题的比例边界等几何分析

提出比例边界等几何分析SBIGA(Scaled Boundary IsoGeometric Analysis)方法来求解热传导问题。SBIGA兼具比例边界有限元和等几何分析的优势,特别适用于求解包含无限域和奇异物理场的问题。该方法造型十分方便,在径向具有半解析性质,仅需在计算域边界上用NURBS基函数自然离散,为实现CAD/CAE无缝融合提供了新的途径,大大节约前处理和计算耗时。此外,SBIGA无需进一步与CAD系统数据交换就可以保型细分。三个基准算例证明了其在热传导分析中的有效性。与传统比例边界有限元相比,SBIGA模型消除了几何模型误差,并显示出更高的计算精度和收敛速度。     

改进型扩展比例边界有限元法

结合了扩展有限元法(extended finite elementmethods,XFEM)和比例边界有限元法(scaled boundary finite elementmethods,SBFEM)的主要优点,提出了一种改进型扩展比例边界有限元法(improvedextended scaled boundary finite elementmethods,$i$XSBFEM),为断裂问题模拟提供了一条新的途径.类似XFEM,采用两个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面,并基于水平集函数判断单元切割类型;将被裂纹切割的单元作为SBFE的子域处理,采用SBFEM求解单元刚度矩阵,从而避免了XFEM中求解不连续单元刚度矩阵需要进一步进行单元子划分的缺陷;同时,借助XFEM的主要思想,将裂纹与单元边界交点的真实位移作为单元结点的附加自由度考虑,赋予了单元结点附加自由度明确的物理意义,可以直接根据位移求解结果得出裂纹与单元边界交点的位移;对于含有裂尖的单元,选取围绕裂尖单元一圈的若干层单元作为超级单元,并将此超级单元作为SBFE的一个子域求解刚度矩阵,超级单元内部的结点位移可通过SBFE的位移模式求解得到,应力强度因子可基于裂尖处的奇异位移(应力)直接获得,无需借助其他的数值方法.最后,通过若干数值算例验证了建议的$i$XSBFEM的有效性,相比于常规XFEM,$i$XSBFEM的基于位移范数的相对误差收敛性较好;采用$i$XSBFEM通过应力法和位移法直接计算得到的裂尖应力强度因子均与解析解吻合\较好.      

粘弹性问题的插值型无单元伽辽金比例边界法

作为一种最近发展起来的半解析数值方法,插值型无单元伽辽金比例边界法不仅无需基本解,且在处理应力奇异性问题和无限域问题时十分有效．为了更有效地求解粘弹性问题,对插值型无单元伽辽金比例边界法应用于此类问题进行了研究,并发展了相应的算法. 通过时域分段展开,将时空耦合的初边值问题转化为一系列递推形式的边值问题,然后采用插值型无单元伽辽金比例边界法进行自适应计算．在径向保持解析特性的基础上,环向采用无单元伽辽金法离散可简化前处理和后处理工作量．此外,改进的插值型移动最小二乘法形函数具有插值性,有效地解决了本质边界条件不能直接施加的困难．最后给出了数值算例,并验证了所提方法的有效性和正确性.     

基于SBFEM和深度学习的裂纹状缺陷反演模型

结构内部缺陷的识别是结构健康监测的重要研究内容, 而当前以无损检测为主的结构安全检测多以定性分析为主, 定量识别缺陷的尺度较困难. 本文将比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods, SBFEM)和深度学习相结合, 提出了基于Lamb波在结构中传播时的反馈信号定量识别结构内部裂纹状缺陷的反演模型. 通过随机生成缺陷信息(位置、大小), 采用SBFEM模拟Lamb波在含不同缺陷信息的结构中的信号传播过程, SBFEM仅需对结构边界离散可最小化网格重划分过程, 大大提高了计算效率. Lamb波在含裂纹状缺陷结构中传播时观测点的反馈信号包含大量的裂纹信息, 基于这一特性可为深度学习模型提供足够多的反映问题特性的训练数据. 建议的缺陷反演模型规避了传统反分析问题的目标函数极小化迭代过程, 在保证计算精度的前提下大大减少了计算成本. 对含单裂纹和多裂纹板的数值算例进行分析, 结果表明: 建立的缺陷识别模型能够准确地量化结构内部的缺陷, 对浅表裂纹亦有很好的识别效果, 且对于含噪信号模型仍具有较好的鲁棒性.      

DYNAMIC INTERACTION OF PLANE WAVES WITH A UNILATERALLY FRICTIONALLY CONSTRAINED INCLUSION-TIME DOMAIN BOUNDARY ELEMENT ANALYSIS

A 2D time domain boundary element method (BEM) is developed to solve the transient scattering of plane waves by a unilaterally frictionally constrained inclusion. Coulomb friction is assumed along the contact interface. The incident wave is assumed strong enough so that localized slip and separation take place along the interface. The present problem is in effect a nonlinear boundary value problem since the mixed boundary conditions involve unknown intervals (slip, separation and stick regions). In order to determine the unknown intervals, an iterative technique is developed. As an example, we consider the scattering of a circular cylinder embeddedin an infinite solid.     

波导本征问题分析的比例边界有限元方法

引入了一种求解波导本征值问题的高效而精确算法-比例边界有限元方法SBFEM (Scaled Boundary Finite Element Method).该方法的一个特点是只需在边界上进行离散,问题降低一维,使计算工作量大大减少;另一特点是所建立的控制方程为二阶常微分方程,可以解析地求解,使计算精度得到了保证.论文利用变分原理并通过比例边界坐标变换,推导了TE波和TM波波导的比例边界有限元频域方程以及波导动剐度方程,同时给出了波导动刚度矩阵的连分式解形式,通过引入辅助变量进一步得出波导特征值方程并求出波导本征值.以矩形、L形波导和叶型加载矩形波导的本征问题分析为例,通过与解析解及其他数值方法比较,结果表明,此方法具有精度高、计算工作量小的优点,而且随着连分式阶数增加收敛速度快.进一步分析了一类角切四脊正方形波导的传输特性.     

单侧摩擦接触约束夹杂物与平面波的动力相互作用--时域边界元分析

应用时域边界元法研究了瞬态平面波对单侧摩擦约束夹杂物的散射问题，假设界面摩擦遵守库仑定理，当入射波足够强时界面会出现局部分离和滑移，由于边界上的区域(分离区、滑移区和粘着区)是未知的，所以该问题实际上是个复杂的边界非线性问题，为了确定未知区域，该文发展了一种有效的迭代技术，作为算例，计算了一个无限域中圆柱埋置夹杂物对瞬态平面波的散射问题。     

比例边界等几何分析方法Ⅰ:波导本征问题

提出比例边界等几何方法 (scaled boundary isogeometric analysis, SBIGA), 并用以求解波导本征值问题. 在比例边界等几何坐标变换的基础上, 利用加权余量法将控制偏微分方程进行离散处理, 半弱化为关于边界控制点变量的二阶常微分方程, 即 TE 波或 TM 波波导的比例边界等几何分析的频域方程以及波导动刚度方程, 同时利用连分式求解波导动刚度矩阵. 通过引入辅助变量进一步得出波导本征方程. 该方法只需在求解域的边界上进行等几何离散, 使问题降低一维, 计算工作量大为节约, 并且由于边界的等几何离散, 使得解的精度更高, 进一步节省求解自由度. 以矩形和 L 形波导的本征问题分析为例, 通过与解析解和其他数值方法比较, 结果表明该方法具有精度高、计算工作量小的优点.     

Hydrodynamic forces and moments due to interaction of linear water waves with truncated partial-porous cylinders in finite depth

An exact analytical method is employed for studying the diffraction problems in an ocean due to the presence of a specific type of cylinders. In this current work, two models are studied: (i) a floating surface-piercing truncated partial-porous cylinder, (ii) a surface-piercing truncated partial-porous cylinder placed at the bottom. In both cases, the configuration of the composite cylinder is such that it consists of an impermeable inner cylinder rising above the free surface and a coaxial truncated porous cylinder around the lower part of the inner cylinder with the top of the porous cylinder being impermeable. By using linear water wave theory, a three-dimensional representation of the problem is developed based on eigenfunction expansion method. The condition on the porous boundary is defined by applying Darcy’s law. Pressure and velocity satisfy continuity conditions across the linear interface between the adjacent fluid domains. Hydrodynamic force, moment and wave run-up are calculated by using the velocity potentials. Comparisons are carried out with results of wave diffraction by a floating and bottom-mounted compound cylinder, i.e., when the whole cylinder is non-porous. Handy agreements are observed from these comparisons. Through numerical tests, various experiments are carried out to investigate the impact of various parameters, such as porous coefficients, draft ratio, the ratio of inner and outer radii, the water depth etc., on hydrodynamic force, moment and wave run-up. The results clearly indicate that an appropriate optimal ratio for various parameters may be considered in designing practical ocean structures with minimum adverse hydrodynamic effect. The appearance of resonance in the results and role of porosity in mitigating resonance effect are explained. Proposal to select various appropriate parameters for the best possible effect is put forward.     

Water surface wave radiation generated by multiple cylinders oscillating with identical frequency

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＡｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓｕｂｊｅｃｔｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｗａｖｅｓａｎｄｂｏｄｙｉｓｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｔｗｏ＿ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｒａｄｉａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｃｙｌｉｎｄｅｒｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇｉｎｏｒｂｅｌｏｗｔｈｅｆｒｅｅｗａｔｅｒｓｕｒｆａｃｅ,ｗｈｉｃｈｈａｓａｔｔｒａｃｔｅｄｗｉｄｅａｔｔｅｎｔｉｏｎ．ＥｖｅｒｓｉｎｃｅＵｒｓｅｌｌｐｕｂｌｉｓｈｅｄｔｈｅｐａｐｅｒ［１］ｉｎｖｏｌｖｉｎ…     

THE DIFFRACTION OF SECOND-ORDER BICHROMATIC WAVES BY A SEMI-IMMERSED HORIZONTAL RECTANGULAR CYLINDER

The diffraction of second-order bichromatic Stokes waves by a semi-immersed horizontal rectangular cylinder (prism) is investigated theoretically. The problem is assumed two-dimensional and the fluid domain is divided into three regions: upwave, beneath and downwave of the structure. Analytical expressions for the velocity potentials in each region at both first- and second-order are obtained by an eigenfunction expansion approach. The solutions in each fluid region are linked through matching conditions on the imaginary fluid interfaces between them. Semi-analytical expressions are derived for the sum-and difference-frequency hydrodynamic loads and the free-surface elevations upwave and downwave of the structure to second-order. Numerical results are presented which illustrate the influence of the different wave and structural parameters on these quantities at both first- and second-order.     

SHEAR WAVE SCATTERING FROM A PARTIALLY DEBONDED PIEZOELECTRIC CYLINDRICAL INCLUSION

I. INTRODUCTION Owing to the intrinsic coupling characteristics between electric and elastic behaviors, piezoelectricmaterials have been used widely in technology such as transducers, actuators, sensors, etc. Studieson electroelastic problems of a piezo…     

应用SBFEM研究波浪与薄板的相互作用问题

应用比例边界有限元法(SBFEM)求解了频域下波浪与刚性薄板防波堤相互作用问题。求解中将整个计算区域分为薄板周围的有限子域和直到无限远处的无限子域。有限子域的比例中心设置在薄板的下端,这时薄板的两侧为侧边面,而无限子域的比例中心设置在无限子域与有限子域的交界上,同时将水底和自由水面做为平行侧边面。应用加权余量法在每个子域内推导出比例边界有限元方程,然后在有限子域与无限子域交界上匹配求解。通过与解析解的对比,证明了这种方法的精确性,而后对不同类型的薄板防波堤进行了计算,并给出了反射和透射系数的变化规律。