微分求积升阶谱有限元方法研究及其在结构振动中的应用
批准号:
11402015
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
28.0 万元
负责人:
刘波
依托单位:
学科分类:
A0813.计算固体力学
结题年份:
2017
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
徐腾飞、向维、杜传宇、梁昆
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中文摘要
升阶谱有限元方法是一种典型的高阶有限元方法,在前处理、计算精度、单元矩阵的特性等方面明显优越于常规位移有限元,但在计算不规则域高阶单元时存在数值稳定性问题,高阶三角形单元目前还在用符号计算。微分求积有限元方法同微分求积方法一样,在计算精度方面有明显优势,单元的阶次也较高,但在构造三角形单元方面也存在困难,而且不具备升阶谱有限元阶次可变等优点。本项目把微分求积有限元方法的思想和技巧引入升阶谱有限元中,并利用形函数的分离变量特点,解决了升阶谱有限元方法的数值稳定性问题以及计算高阶三角形单元矩阵方面的困难。这一新的方法被命名为微分求积升阶谱有限元方法。本项目不仅研究C0单元还研究C1单元的构造。升阶谱有限元可能成为未来开发有限元软件的主流,本项目解决了求解方法自身存在的困难,从而为之奠定了理论基础。为了体现微分求积升阶谱有限元方法的优势和具体介绍其求解过程,本项目将之应用于结构振动问题。
英文摘要
The hierarchical finite element method (HFEM) is a typical p-version finite element method, which is superior to the h-version finite element method in pre-processing, accuracy, properties of element matrices, etc. However, the HFEM has numerical stability problems in irregular domains when the number of polynomial hierarchical functions is high. High-order triangular hierarchical elements even still use symbolic computations. The differential quadrature finite element method (DQFEM), just like the differential quadrature method, is highly accurate and does not have numerical stability problem for high-order elements. However, the DQFEM also has computational difficulty in constructing triangular elements, and it does not have the advantages of the HFEM, whose degrees of freedom of neighboring elements can be different, etc. The key ideas and skills of the DQFEM were introduced into the HFEM in this project to overcome the numerical stability problems and the difficulty in computing high-order triangular hierarchical elements in the HFEM. The separation variable characteristic of the shape functions was also used in this process. The new method was named as a differential quadrature hierarchical finite element method (DQHFEM), which is an improved version of the HFEM in essence. This project studies not only C0 but also C1 DQHFEM elements. The HFEM may become the mainstream in developing finite element software in the future. This project will solve the main problems existing in the HFEM, which will lay a theoretical foundation for HFEM software developing. The DQHFEM will be applied to structural vibration problems in this project to introduce the solving procedure and to show the advantages of the DQHFEM.
升阶谱有限元方法是一种典型的高阶有限元方法,在前处理、计算精度、单元矩阵的特性等方面明显优越于常规位移有限元,但在计算不规则域高阶单元时存在数值稳定性问题,高阶三角形单元一直在用符号计算。微分求积有限元方法同微分求积方法一样,在计算精度方面有明显优势,单元的阶次也较高,但在构造三角形单元方面也存在困难,而且不具备升阶谱有限元阶次可变等优点。在高阶单元方面,过去的主要研究成果集中在C0单元方面,C1单元还存在许多困难。本项目针对这些问题展开研究,取得的主要成果如下:(1)利用正交多项式的递推公式、升阶谱基函数的分离变量等特点,解决了升阶谱有限元的数值稳定性问题、显著提高了计算效率;(2)为了方便单元组装和边界条件施加,给升阶谱单元边界上配置了微分求积结点,提出微分求积升阶谱有限元方法;(3)构造得三角形、四面体、三棱柱单元上的正交多项式,解决了其数值稳定性和计算效率问题;(4)求得三角形、四面体、三棱柱单元上的Fekete点,构造得具有升阶谱有限元阶次可变等优点的各种形状单元的微分求积有限元方法;(5)解决了构造三角形和四边形C1微分求积升阶谱单元的难题;(6)研究成果被应用于结构振动、静力强度、晶粒结构、纳米复合材料、叠层材料、粘弹性材料等等,体现出微分求积升阶谱有限元方法相对常规方法的巨大优势。由于(1)到(5)这些问题的解决,升阶谱有限元可能成为未来开发有限元软件的主流,本项目解决了求解方法自身存在的困难,从而为之奠定了理论基础。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Application of isogeometric method to free vibration of Reissner-Mindlin plates with non-conforming multi-patch
等几何方法在非协调多面片Reissner-Mindlin板自由振动中的应用
DOI:10.1016/j.cad.2016.04.006
发表时间:2017
期刊:COMPUTER-AIDED DESIGN
影响因子:4.3
作者:Zhao Gang;Du Xiaoxiao;Wang Wei;Liu Bo;Fang Hongbing
通讯作者:Fang Hongbing
Non-uniform rational Lagrange functions and its applications to isogeometric analysis of in-plane and flexural vibration of thin plates
非均匀有理拉格朗日函数及其在薄板面内和弯曲振动等几何分析中的应用
DOI:10.1016/j.cma.2017.04.007
发表时间:2017-07-01
期刊:COMPUTER METHODS IN APPLIED MECHANICS AND ENGINEERING
影响因子:7.2
作者:Liu, Bo;Xing, Yufeng;Sun, Hao
通讯作者:Sun, Hao
A differential quadrature hierarchical finite element method and its applications to vibration and bending of Mindlin plates with curvilinear domains
微分求积递阶有限元法及其在曲线域Mindlin板振动和弯曲中的应用
DOI:10.1002/nme.5277
发表时间:2017-01
期刊:INTERNATIONAL JOURNAL FOR NUMERICAL METHODS IN ENGINEERING
影响因子:2.9
作者:Liu Cuiyun;Liu Bo;Zhao Liang;Xing Yufeng;Ma Chaoli;Li Huanxi
通讯作者:Li Huanxi
Analysis of functionally graded sandwich and laminated shells using a layerwise theory and a differential quadrature finite element method
使用分层理论和微分求积有限元法分析功能梯度夹层和层合壳
DOI:10.1016/j.compstruct.2015.10.044
发表时间:2016-02-01
期刊:COMPOSITE STRUCTURES
影响因子:6.3
作者:Liu, Bo;Ferreira, A. J. M.;Neves, A. M. A.
通讯作者:Neves, A. M. A.
Analysis of viscoelastic sandwich laminates using a unified formulation and a differential quadrature hierarchical finite element method
使用统一公式和微分求积分层有限元法分析粘弹性夹层板
DOI:10.1016/j.compositesb.2016.11.028
发表时间:2017-02-01
期刊:COMPOSITES PART B-ENGINEERING
影响因子:13.1
作者:Liu, Bo;Zhao, Liang;Wang, Jiayi
通讯作者:Wang, Jiayi
基于升阶谱方法和Open CASCADE的高阶网格自动生成技术研究
- 批准号:11972004
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:62.0万元
- 批准年份:2019
- 负责人:刘波
- 依托单位:
计算机辅助设计与分析无缝融合关键技术研究及软件开发
- 批准号:11772031
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:64.0万元
- 批准年份:2017
- 负责人:刘波
- 依托单位:
国内基金
海外基金















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