基于等几何分析的复杂结构接触分析Nitsche方法研究
批准号:
12102146
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:
胡清元
依托单位:
学科分类:
计算固体力学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
胡清元
中文摘要
结构接触问题是工程实践中常见的一类问题。与传统有限元相比,等几何分析采用的NURBS基函数可精确描述结构几何边界,接触搜索精度高,天然适用于分析接触问题。然而,当前的等几何接触列式普遍采用的方法实用性不足,相关研究成果难以直接应用于工程实践,基于等几何分析的复杂结构接触分析方法亟待进一步研究。本课题拟基于等几何Nitsche方法发展大变形接触理论,考虑裁剪、拼接和局部加密等模型特征,发展通用的接触边界搜索算法,研究稳定高效的接触列式及相应迭代方法,开发接触求解器。本课题将发展针对复杂CAD模型的接触搜索算法和接触列式,开发针对复杂结构的大变形接触分析求解器,为实际工程应用中的结构接触问题分析提供新方法和新工具。
英文摘要
It is a common situation in engineering practice to simulate contact problems of structures. Compared with traditional finite element analysis, the NURBS basis functions used in isogeometric analysis are able to accurately describe the geometric boundary of structures, the contact detection accuracy is correspondingly improved, thus isogeometric analysis is naturally suitable for analyzing contact problems. However, current methods commonly used in isogeometric contact formulations are far from practical engineering applications, related research results are difficult to be applied directly. Analysis methods for complex structural contact in isogeometric analysis framework urgently needs to be further studied. This project intends to develop large-deformation contact theory based on the isogeometric Nitsche's method, with considering model features such as clipping, splicing and local encryption, to develop a general contact boundary detection algorithm, to study stable and efficient contact formulations as well as corresponding iterative methods, and to develop a contact solver. This research will develop contact search algorithms and contact columns for complex CAD models, develop a large deformation contact analysis solver for complex structures, corresponding research results will provide new methods and new tools for the analysis of structural contact problems in practical engineering applications.
本项目围绕等几何分析方法在复杂结构中的应用展开研究,旨在建立一套能够高效处理复杂CAD模型的等几何壳结构分析方法,并拓展其在拓扑优化领域的应用。项目历时三年,取得了丰硕的成果。.在研究过程中,首先基于等几何Nitsche方法对复杂结构接触列式进行了深入研究,提出了多片拼接采用Nitsche方法的总体思路,并成功构造了相应的拟牛顿迭代格式,有效减少了迭代过程中的计算量。进一步,针对拟牛顿方法的初始切线刚度阵构造问题以及迭代过程的收敛性和稳定性控制问题进行了重点研究,采用线弹性刚度阵作为初始切线刚度阵,并结合BFGS逆矩阵更新公式直接更新逆矩阵,对于结构因接触而发生构型剧烈变化导致迭代难以收敛的问题,创新性地采用了基于割线法的迭代修正,将BFGS的更新内核替换为最新的割线刚度阵,显著提高了求解的稳定性和效率。.基于上述研究成果,成功开发了等几何大变形接触分析求解器,并将其与离散变量拓扑优化以及神经网络技术有机融合,形成了求解器的最新功能,为复杂结构的分析和优化提供了强大的工具。项目执行期间,共发表学术论文4篇,其中SCI论文2篇、EI论文1篇、CSCD论文1篇,参加国际会议1次、国内会议2次,申请并获授权发明专利1项。.本项目的研究成果不仅在理论上填补了相关研究领域的空白,而且在实际应用中具有重要的科学意义和广阔的应用前景。所开发的求解器将为工业实际问题分析提供新的工具和方法,有望推动等几何分析技术在复杂结构设计和优化领域的广泛应用。
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