面向等几何分析的高效矩阵装配算法及其应用
批准号:
12101308
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
潘茂东
依托单位:
学科分类:
数值逼近与计算几何
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
潘茂东
中文摘要
等几何分析是一种旨在无缝集成计算机辅助设计与计算机辅助工程的新型数值计算方法,目前已成为几何设计、分析及计算领域新的研究热点。具有局部细分能力的样条克服了NURBS无法实现局部加细这一弊端,已被成功地应用于等几何分析并展现出很好的性能。然而,与NURBS类似,基于可局部加细样条的等几何分析方法中的矩阵装配过程会很耗时(特别是对于高次的样条基函数以及大规模高维问题),目前鲜有处理此问题的研究工作。本项目拟采用拟插值、改进的和分解以及低秩逼近等技术,发展面向两类可局部加细样条(层次B样条和截断层次B样条)的高效矩阵装配算法,重点研究如何构造高效的拟插值算子、改进经典的和分解方法以及使用低秩逼近技术。此外,我们将探索所提出的算法在无矩阵方法、线性弹性问题与热传导问题中的应用。本项目的研究成果有助于提高等几何分析方法在工程中的实用性,为真正实现设计与分析的无缝融合做出积极的贡献。
英文摘要
Isogeometric analysis, introduced to seamlessly integrate computer-aided design and computer-aided engineering, is a new approach for numerical simulation. It has become a research hotspot in the field of geometric design, analysis and computation. Local refinable splines, which overcome the drawback of NURBS, have been successfully applied in isogeometric analysis and have shown good performance. However, similar as for NURBS, assembling the system matrices in isogeometric analysis with local refinable splines can be very expensive from the computational point of view, especially for large-scale problems with high spatial dimensions and spline degrees. To the best of our knowledge, few works have been proposed to address the above issue. In this project, we plan to investigate fast matrix assembly for isogeometric analysis with hierarchical B-splines and truncated hierarchical B-splines based on the quasi-interpolation, improved sum-factorization and low-rank approximation techniques. The effort will be devoted to constructing efficient quasi-interpolation operators, improving the classical sum-factorization approach and applying the low-rank approximation technique. In addition, we will explore the applications of the proposed assembly algorithms in matrix-free methods, linear elastic and heat conduction problems. The research results of this project can improve the practicability of isogeometric analysis in engineering, and make a contribution to the real seamless integration of design and analysis.
在先进制造与智能制造领域,计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助工程(CAE)是两个重要的环节,实现CAD与CAE的无缝融合则是该领域亟需解决的核心问题之一。美国国家科学院院士、国际数学家大会一小时报告人Thomas J.R. Hughes提出的等几何分析方法作为解决该问题最具影响力的方案,已被成功地应用于结构力学、电磁学、流体力学、生物工程等领域,目前也成为几何设计与计算领域的热门研究方向。尽管在过去的十多年里,等几何分析方法在工程应用中取得了实质性进展,但在处理复杂物理仿真问题时仍存在巨大挑战。本项目围绕等几何分析领域的关键数学问题开展研究,具体包括:首先,基于样条投影、查表以及和分解技术提出了面向层次B样条的高效矩阵装配算法,并将所提出的高效矩阵装配算法成功用于拟合复杂曲面以及求解弹性力学问题,计算效率大幅度提升;其次,采用HB样条作为曲面的表示形式,以拟共形映射为计算框架,提出了一种高质量的平面区域参数化方法;然后,采用三角形样条/四边形样条混合表示模式,提出了面向复杂计算区域且满足G1光滑特性的多片参数化映射;最后,提出了一类层次T网格上的新型样条(RMB样条),并严格证明了其混合函数具有非负、线性无关、单位剖分等特性,同时给出了用于存储和表示RMB样条的高效数据结构。项目执行期间,共发表10余篇论文,其中在CAD/CAE领域旗舰期刊Computer-Aided Design、Computer Aided Geometric Design、Computer Methods in Applied Mechanical Engineering、International Journal for Numerical Methods in Engineering上发表论文8篇;牵头获批国家重点研发计划青年科学家项目、获批国家自然科学基金面上项目、获江苏省工业与应用数学青年奖、入选江苏省双创博士;申请发明专利3项,登记软件著作权4项;培养博士研究生1名、硕士研究生4名;参加国内外学术会议20余次,受邀作学术报告16次;举办CSIAM几何设计与计算专委会走进高校学术活动;赴奥地利林茨大学开展为期45天的学术访问;邀请专家报告25人次。项目研究成果将进一步完善等几何分析相关理论,有助于促进CAD/CAE融合发展,具有重要的科学价值。
面向CAD/CAE一体化的新型建模与分析技术及其应用
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批准号:12471359
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项目类别:面上项目
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资助金额:44.00万元
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批准年份:2024
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负责人:潘茂东
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依托单位:
国内基金
海外基金