应变重构点插值无网格法的若干问题研究

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有限元法(FEM)是非常重要的数值模拟方法之一,在力学,物理,电磁问题等诸多实际的领域有着很广泛的应用,也取得了非常好的的实际应用效果。然而,工程实践中存在着大量的非线性问题,如大变形问题,裂纹扩展等问题,当运用有限元法解决这些非线性问题时,往往会导致单元畸变,这大大影响了FEM的求解精度。出现这些问题的主要原因是因为有限元法依赖于网格,为了克服有限元的这个缺点,无网格法应用而生。无网格法(MeshFree Method)与有限元法最本质的区别是,它不依赖于网格,构建形函数是基于局部支持域中的节点构造的,可以克服有限元法的网格依赖性。点插值法是一种无网格法,利用局部支持域中的节点进行插值来构造形函数,通常采用多项式基函数,形函数具有一致性,且具有函数性质。它具有计算简单,容易施加边界条件等优点。点插值法中的许多实现细节都和有限元法相似,有限元中很多技巧可以拿来应用在点插值法中。基于节点的光滑无网格方法(NS-PIM)是利用梯度光滑技巧,通过构建光滑应变而形成的方法,大量的实际应用发现NS-PIM中的具有“软化”功能,会产生应变能的上界解,而传统的位移FEM法往往能获得应变能的下界解,刚度“过硬”。本文提出的应变重构点插值方法(SC-PIM)是结合这两种方法的基本思想,通过引进一个可调参数,将NS-PIM产生的光滑应变与FEM的协调应变进行线性组合。通过调整这个参数,可以获得系统的上界解、下界解,甚至是超收敛解。文中给出了SC-PIM的详细构建思想,给出了一个收敛性证明。通过对几个静态力学问题以及动态的热传导问题的数值试验,验证了SC-PIM的有效性。
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