Study on spline wavelet finite-element method in multi-scale analysis for foundation

A new finite element method （FEM） of B-spline wavelet on the interval （BSWI） is proposed. Through analyzing the scaling functions of BSWI in one dimension, the basic formula for 2D FEM of BSWI is deduced. The 2D FEM of 7 nodes and 10 nodes are constructed based on the basic formula. Using these proposed elements, the multiscale numerical model for foundation subjected to harmonic periodic load, the foundation model excited by external and internal dynamic load are studied. The results show the pro- posed finite elements have higher precision than the tradi- tional elements with 4 nodes. The proposed finite elements can describe the propagation of stress waves well whenever the foundation model excited by extemal or intemal dynamic load. The proposed finite elements can be also used to con- nect the multi-scale elements. And the proposed finite elements also have high precision to make multi-scale analysis for structure.     

A novel ellipsoidal acoustic infinite element

A novel ellipsoidal acoustic infinite element is proposed. It is based a new pressure representation, which can describe and solve the eUipsoidal acoustic field more exactly. The shape functions of this novel acoustic infinite element are similar .to the Burnett‘s method, while the weight functions are defined as the product of the complex conjugates of the shaped functions and an additional weighting factor. The code of this method is cheap to generate as for 1-D element because only 1-D integral needs to be numerical. Coupling with the standard finite element, this method provides a capability for very efficiently modeling acoustic fields surrounding structures of virtually any practical shape. This novel method was deduced in brief and the conclusion was kept in detail. To test the feasibility of this novel method efficiently, in the examples the infinite elements were considered, excluding the finite elements relative. This novel eUipsoidal acoustic infinite element can deduce the analytic solution of an oscillating sphere. The example of a prolate spheroid shows that the novel infinite element is superior to the boundary element and other acoustic infinite elements. Analytical and numerical results of these examples show that this novel method is feasible.     

分区界面元-有限元-无限元混合模型

利用界面元良好的相容性,引入过渡界面元的概念．实现了界面元与有限元二种数值计算方法的结合,并提出了一种界面元-有限元-无限元混合模型。这种混合模型既可以发挥界面元计算精度高、适用于不连续变形等优点．又能够充分利用有限元的计算效率和无限元方便处理无限域介质的特点,较为和谐地解决了计算精度和计算效率的矛盾。数值算例表明,本文所建立的混合模型的有效性,揭示此类混合模型具有广阔的工程应用前景。     

Semi-analytical finite element method for fictitious crack model in fracture mechanics of concrete

Based on the Hamiltonian governing equations of plane elasticity for sectorial domain, the variable separation and eigenfunction expansion techniques were employed to develop a novel analytical finite element for the fictitious crack model in fracture mechanics of concrete. The new analytical element can be implemented into FEM program systems to solve fictitious crack propagation problems for concrete cracked plates with arbitrary shapes and loads. Numerical results indicate that the method is more efficient and accurate than ordinary finite element method.     

无限元方法及其应用

限元是几何上趋于无穷的单元，它是一种特殊的有限元,也是对有限元在求解无界域 问题上的有效补充, 并可实现与有限元间的无缝连接.无限元分为映射无限元和非映射 无限元:映射无限元需要引入几何映射,在局部坐标系中构造插值形状函数,如Bettess 元和Astley元;非映射无限元则直接在整体坐标系中构造插值形状函数,如Burnett元. 本文评述求解无界域问题的无限元方法的研究现状和最新发展.首先介绍无限单元的概念 和无限元方法的特点;围绕求解以Helmholtz方程控制的波动问题,评述几种常规无限单 元的优劣,这些单元包括Bettess元、Astley元和Burnett元.然后介绍新近提出的广义 无限元方法,以及与常规无限元方法的区别与联系.最后对无限元方法在各种问题中的 应用做了总结.     

Numerical simulation of high‐Reynolds number flow around circular cylinders by a three‐step FEM–BEM model

An innovative computational model, developed to simulate high‐Reynolds number flow past circular cylinders in two‐dimensional incompressible viscous flows in external flow fields is described in this paper. The model, based on transient Navier–Stokes equations, can solve the infinite boundary value problems by extracting the boundary effects on a specified finite computational domain, using the projection method. The pressure is assumed to be zero at infinite boundary and the external flow field is simulated using a direct boundary element method (BEM) by solving a pressure Poisson equation. A three‐step finite element method (FEM) is used to solve the momentum equations of the flow. The present model is applied to simulate high‐Reynolds number flow past a single circular cylinder and flow past two cylinders in which one acts as a control cylinder. The simulation results are compared with experimental data and other numerical models and are found to be feasible and satisfactory. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

含有非圆形双孔的无限平板中应力的解析解研究

无限平板中含有任意形状单个孔的问题可以使用复变函数方法获得其应力解析解.对于无限平板中含有两个圆孔或两个椭圆孔的双连通域问题,也可以利用多种方法进行求解,比如双极坐标法、应力函数法、复变函数法以及施瓦茨交替法等.其中复变函数中的保角变换方法是获得应力解析解的一个重要方法.但目前尚未见到用此方法求解无限板中含有一个正方形孔和一个椭圆孔的问题.当板在无穷远处受有均布载荷和孔边作用垂直均布压力时,利用保角变换方法可以求解板中含有两个特定形状孔的问题.该方法将所讨论的区域映射成象平面里的一个圆环,其中最关键的一步是找出相应的映射函数.基于黎曼映射定理,提出了该映射函数一般形式,并利用最优化方法,找到了该问题的具体映射函数,然后通过孔边应力边界条件建立了求解两个解析函数的基本方程,获得了该问题的应力解析解.运用ANSYS有限单元法与结果进行了对比.研究了孔距、椭圆形孔大小和两孔布置方位对边界切向应力的影响,以及不同载荷下两孔中心线上应力分布规律.      

激光加热金属薄膜的热弹性研究

基于电子-声子相互作用的双曲两步热传导模型的超快热弹性理论,计及晶格的热传导效应,利用有限元方法研究了无限大金属薄膜在短暂激光冲击下诱导的位移、应力、应变和温度等物理量的演化特点,与已有文献比较,说明该方法的合理性与正确性.比较了计及电子热爆发力与不计电子热爆发力对位移、应力等物理量的影响,说明计及电子热爆发力的必要性...     

哈密顿体系在断裂力学Dugdale模型中的应用

利用平面扇形域哈密顿体系的方程，通过分离变量法及共轭辛本征函数向量展开法，以解析的方法推导出基于Dugdale模型的平面裂纹弹塑性解析元列式。将该解析元与有限元相结合，构成半解析的有限元法，可求解任意几何形状和荷载平板裂纹的Dugdale模型问题。数值计算结果表明本文方法对该类问题的求解是十分有效的，并有较高的精度。     

二维水下声辐射问题的改进径向基点插值法研究

径向基点插值法是一种典型的无网格数值计算方法,在分析声学问题时,相比于传统有限元法能更好地抑制频散误差,且在相同的节点分布下通常可以得到更精确的数值解。本文提出一种改进的节点选取方案用于构造插值形函数,即改进径向基点插值法。该方案采取一个简单而直接的格式,可确保在进行数值积分时同一背景积分单元中的被积函数是连续可微的,从而减小数值积分误差,得到比原始径向基点插值法更精确的数值解。同时,为了处理外声场问题,本文采用DtN映射技术将无限域截断为有界计算域,满足索默菲尔德辐射条件。数值试验表明,相比于传统有限元法和原始径向基点插值法,本文改进方法具有更高的计算精度和计算效率,在研究水下声辐射问题时具有良好的应用前景。     

动态断裂力学的无限相似边界元法

对弹性动力学的相似边界元法进行了进一步研究,推导了相应的计算公式,并在此基础上提出了动态断裂力学的无限相似边界元法.与传统的边界元法相比,相似边界元法由于只需在少数单元上进行数值积分,大大减少了计算量.对动态断裂力学问题,无限相似边界元法由于在裂纹尖端的边界上设置了逼近于裂纹尖端的无限个相似边界单元,可直接得到裂纹尖端具有奇异性的应力,而不需要设置奇异单元,从而突破了奇异单元对应力奇异性阶次的局限.另外,还讨论了无限相似边界元法得到的无限阶的线性代数方程组的求解方法.     

激光加热双层金属薄膜的热弹性研究

基于电子-声子相互作用的双曲两步热传导模型,并计及晶格的热传导效应,利用有限元方法研究了无限大双层金属薄膜在短暂激光冲击下诱导的位移、应力、应变和温度等物理量的演化特点.比较了计及电子热爆发力与不计电子热爆发力对位移、应力等物理量的影响,说明计及电子热爆发力的必要性.研究有利于对微型金属器件受到强热冲击产生破坏与失效的更深层次的理解,具有一定的学术意义和工程应用价值.     

非均质材料动力分析的广义多尺度有限元法

自然界和工程中的大部分材料都具有多尺度特征,当考察尺度小到一定程度后,都将表现出非均质性.针对非均质材料的动力问题,提出了一种广义多尺度有限元方法,其基本思想是利用静态凝聚法以及罚函数法构造能够反映单元内部材料非均质特性的多尺度位移基函数.与传统扩展多尺度有限元法中的基函数构造方式不同,广义多尺度有限元法的基函数无需通过在子网格域上多次求解椭圆问题得到,而可直接通过矩阵运算获得.其主要步骤如下:利用数值基函数将一个非均质单胞等效为一个宏观单元,进而形成整个结构的等效刚度矩阵,并得到宏观网格的节点位移,最后再次利用数值基函数得到微观尺度上的位移结果.该广义多尺度有限元法是扩展多尺度有限元法的一种新的拓展,可模拟具有更加复杂几何的非均质单胞的力学行为.通过数值算例,模拟了非均质材料的静力问题、广义特征值问题以及瞬态响应问题,计算结果表明:在边界条件一样的情况下,广义多尺度有限元法的计算结果与传统有限元的计算结果保持高度一致.与传统有限元相比,该方法在保证计算精度的同时极大地提高了计算效率.研究结果表明,广义多尺度有限元法能够很好地模拟非均质单胞的力学行为,具有良好的工程应用潜力.      

近场动力学与有限元方法耦合求解热传导问题

求解含裂纹等不连续问题一直是计算力学的重点研究课题之一,以偏微分方程为基础的连续介质力学方法处理不连续问题时面临很大的困难. 近场动力学方法是一种基于积分方程的非局部理论,在处理不连续问题时有很大的优越性. 本文提出了求解含裂纹热传导问题的一种新的近场动力学与有限元法的耦合方法. 结合近场动力学方法处理不连续问题的优势以及有限元方法计算效率高的优势,将求解区域划分为两个区域,近场动力学区域和有限元区域. 包含裂纹的区域采用近场动力学方法建模,其他区域采用有限元方法建模. 本文提出的耦合方案实施简单方便,近场动力学区域与有限元区域之间不需要设置重叠区域. 耦合方法通过近场动力学粒子与其域内所有粒子(包括近场动力学粒子和有限元节点)以非局部方式连接,有限元节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用. 将有限元热传导矩阵和近场动力学粒子相互作用矩阵写入同一整体热传导矩阵中,并采用Guyan缩聚法进一步减小计算量. 分别采用连续介质力学方法和近场动力学方法对一维以及二维温度场算例进行模拟,结果表明,本文的耦合方法具有较高的计算精度和计算效率. 该耦合方案可以进一步拓展到热力耦合条件下含裂纹材料和结构的裂纹扩展问题.      

梁长对移动荷载下梁响应影响研究

本文研究了梁跨长对移动荷载下梁稳态响应的影响．在以往的研究中,通常采用Galerkin 方法或者有限元方法计算不同长度的梁的动力响应．当梁长的增加不再明显改变梁的动力响应时,可认为梁此时的长度可以代替无穷长时的情况．采用上述方法的研究表明,当梁长大于10 m 时,就可以用有限长梁近似无限长梁的响应．本文通过求解有限长梁和无限长梁在移动荷载下的动力响应比较分析发现,上述结论在某些参数下并不成立．本文给出了能否使10 m 长梁来近似模拟无限长梁的具体判据．本文是对结构力学教材中梁结构振动计算问题的进一步分析和讨论,所得结论有助于更深入地理解移动荷载作用下有限长梁的响应以及梁结构影响线问题．     

基于应力比值法的V形切口应力强度因子分析

本文基于有限元分析技术建立了一种应力比值方法,用于计算V形切口的应力强度因子。该方法不需要在V形切口尖端采用反映应力奇异性的奇异单元。求解时,首先给定参考问题的广义应力强度因子,然后利用待求问题的应力值与参考问题的应力值之间的比值来求解待求问题的广义应力强度因子。算例采用切口尖端应力方法分析了平板的V形切口问题。计算结果表明,该方法计算精度较高,能够方便地用于求解相关的工程问题。     

非饱和土-结构动力响应的多耦合周期性有限元法

真实的地基土体-隧道系统中土体及结构性质往往沿线路纵向变化.为考虑土体与结构沿纵向的变化特性,提出了一种非饱和土-结构系统动力响应分析的多耦合周期性有限元法.首先基于非饱和土的实用波动方程,采用Galerkin法推导了单节点5个自由度的非饱和土ub-pl-pg格式有限元表达式,相比于单节点9个自由度的ub-v-w格式有...     

用均匀化理论分析蜂窝结构的等效弹性参数

在线弹性范围内,根据均匀化理论,并结合有限元方法推导出适用于二维周期性结构的均匀化的有限元格式（Homo FEM）,计算出不同相对密度下的规则蜂窝结构的等效弹性模量Ee和泊松比νe.同时,利用蜂窝结构的代表胞元模型,用常规的有限元方法（FEM）模拟计算出相应的等效弹性参数.最后将两种数值计算结果与己有的理论公式进行了比较和分析讨论.结果表明:在考察的相对密度全场范围内（0～0.4）,HOmO FEM得到的蜂窝结构的 Ee和νe 与 FEM使用平面实体单元模拟计算得到的结果一致吻合,反映出 Homo FEM数值方法的客观准确性和可行性.而 Gibson公式和 W-K得到的等效弹性模量值 Ee只是在较小相对密度的情况下（小于0.15）与数值计算结果吻合.当结构的相对密度较大时,必须考虑胞棱附近区域由应力集中导致的复杂的应力和应变分布的影响.     

基于吸收边界条件的有限元方法和离散切比雪夫展开的二维缺陷识别

结合考虑了吸收边界条件的有限元正演方法,通过离散切比雪夫多项式在特定离散点的展开逼近待识别函数,实现了无限区域内二维缺陷的识别。正问题计算中引入的吸收边界条件虽然不能严格地模拟无限域对近场波动的影响,但能够以满足实际需要的精度模拟这一影响,且具有解耦特性,极大地简化了数值计算,在反演计算中,离散点取在切比雪夫多项式的零点处,使逼近时最大偏差最小,数值算例表明此方法的有效性。     

Plane elasticity in sectorial domain and the Hamiltonian system

ＰＬＡＮＥＥＬＡＳＴＩＣＩＴＹＩＮＳＥＣＴＯＲＩＡＬＤＯＭＡＩＮＡＮＤＴＨＥＨＡＭＩＬＴＯＮＩＡＮＳＹＳＴＥＭＺｈｏｎｇＷａｎ－ｘｉｅｔａｐ（钟万勰）（ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｄａｌｉａｎ）（ＲｅｃｅｉｖｅｄＤｅｃ．...