具有随机弹性模量的平面弹性模型的双线性有限元解法

本文针对随机平面线弹性问题,采用Neumann级数展开构造随机有限元方法.首先利用Karhunen-Loève展开对随机系数进行有限维逼近,把随机模型转换为确定性参数的问题.其次,在空间上采用矩形剖分的双线性有限元来离散位移.最后,文章给出了收敛性分析,并通过数值算例验证了理论结果.     

基于K-L级数的改进摄动随机QR法

为了有效对具有随机参数的平面框架结构进行随机分析,提出基于Karhunen-Loève(K-L)级数的改进摄动随机QR法(KLSMPSQRM).使用Karhunen-Loève级数展开法对随机场进行离散,同时引入QR法替换改进的摄动随机有限元法(MPSFEM)中的有限元计算格式,得到一种兼具三种方法优势的新型随机分析方...     

基于随机响应面法的结构可靠度研究

基于Karhunen-Loève正交级数对随机场进行离散,并利用Hermite混沌多项式将结构位移响应量表示成为随机场离散变量的函数,研究建立了结构抽样模拟分析的随机响应面法,进而建立了与结构失效准则相对应的极限状态函数,结合几何法提出了结构可靠度分析的随机响应面法计算格式.分析了二阶、三阶随机响应面的特性,并同可靠度分析的蒙特卡罗法进行了比较,结果表明本文方法具有更好的计算精度和计算效率.     

基于多项式混沌展开法的随机多孔介质内流体自然对流不确定性研究

发展了一种基于Karhunen-Loeve展开与多项式混沌展开的随机多孔介质内流体自然对流不确定性分析数理模型及有限元数值模拟程序框架,该方法利用Karhunen-Loeve展开表达输入随机场,利用多项式混沌展开法表达输出随机场;同时利用谱分解技术将随机多孔介质中的随机方程转化为一组确定性方程,并对每个多项式混沌进行求解。最后采用随机映射法求解相应的确定性控制方程中的混沌系数,得到数值解的统计结果。该方法的预测结果与蒙特卡罗方法得到的结果进行比较表明,多项式混沌方法可以有效地模拟不确定性在多孔介质流体流动与传热中的传播。     

有限元可靠度分析中随机场离散方法

用随机场模型描述随机结构参数的空间变异特征 ,讨论了可靠度随机有限元分析中随机场的离散方法。提出了选择随机场离散方案的 4个基本要求 ;利用线性回归理论建立基于优化的随机场离散方法。该文采用的离散方法独立于有限元的单元离散过程 ,并适用于非正态随机场。分析表明 :线性回归理论建立的随机场离散方案比其他方法有更大的灵活性和更高的效率     

基于KL-E的地质力学模型参数反演及应用

地应力及地质力学参数分布是石油工业井壁稳定性分析、水力压裂以及防砂措施制定等所需的关键参数。提出一种反演地质力学模型参数的方法,该方法通过优化算法依次调整地质力学模型的边界条件与力学参数场,以匹配模型计算地应力与硬数据(一维室内实验测量地应力或一维测井综合解释地应力)为优化目标。利用条件Karhunen-Loève展开(KL-E)生成满足特定位置地质力学属性硬数据的地质力学参数随机场,可以将基于网格单元的地质力学参数量减少为一组一维随机变量,加快算法收敛速度。通过测试算例和四川盆地某页岩气井区的现场实例,验证了该方法的适用性。该方法不仅提高了模型计算结果与硬数据的匹配程度,同时更准确地描述了未知位置的地质力学参数分布情况。与地质力学参数场的反演相比,边界条件反演过程收敛速度更快。     

基于随机有限元的坝基渗流分析

采用蒙特卡罗模拟的随机有限元方法并结合渗流随机场的概念,对设置有两道防渗墙的大坝渗流问题进行了分析.研究了渗透系数标准差和空间相关距离对流量、出逸梯度和扬压力的影响.对比了确定性分析和随机有限元分析,结果表明土体渗透系数标准差和空间相关距离对流量、扬压力和出逸梯度有较显著影响.     

异质地层稳定渗流场随机多尺度有限元模拟研究

为了模拟异质多尺度地层稳定渗流场,提出了一种结合有限元异质多尺度法（FEHM）与随机配点法（SCM）的随机异质多尺度有限元法（SHMFE）。目前,研究此类问题的主要手段是随机有限元法（SFE）,但是这类方法无法从本质上表达地层属性的异质多尺度问题。当地层属性如渗透系数的异质性所在的尺度远远小于研究区域时,运用传统的方法模拟其异质性需大量计算资源,以现有物质基础是一个不可完成的任务。SHMFE能有效地解决这类多尺度不均匀问题。首先运用Karhunen-Loμeve（KL）分解在细尺度上将对数渗透系数Y=lnKε进行展开,然后采用耦合广义多项式混沌的SCM法离散问题概率空间使之成为确定性问题,如果KL展开有多个随机变量,则采用稀疏随机配点法;最后采用FEHM法求解此确定性问题。计算实例表明,相对于传统的SFE,SHMFE能利用更少的计算资源有效地模拟本质上多尺度的渗流问题。     

一种分析微带线随机参数敏感性的多项式混沌展开方法

针对传输线加工中材料及结构参数随机不确定性对传输性能影响的问题,提出了一种计算随机系数传输线电报方程的多项式混沌(PC)展开方法。利用正交多项式混沌基函数,该方法首先将传输线电报方程中的随机等效集总参数、传输线电压及电流响应进行展开;其次利用Galerkin法,将随机系数的电报方程问题转化为关于电压、电流正交多项式展开系数的确定性扩阶方程组问题,并结合传输线边界条件可计算电压、电流的展开系数,进而获得电压、电流及传递函数的均值、方差和概率密度分布。随机参数微带传输线的仿真结果表明:低频时导带宽度对微带线的传输性能影响较大,高频时介电常数对其传输性能影响较大;在满足计算精度要求的同时,PC展开方法具有比传统蒙特卡罗(MC)方法更高的计算效率,计算耗时仅约为MC方法的1/500。     

基于标准正交基的随机过程展开法

建议了一类基于标准正交基的随机过程展开方法．提出此方法的主要目的，在于希望能用少量的独立随机变量来反映随机过程的主要概率特性，以便为工程结构的随机动力响应及可靠度分析奠定基础．该方法是在随机过程相关特性或频谱特性的基础上，预先指定标准正交基的形式，通过随机向量的相关分解对展开系数实施正交化，它在形式上等价于Karhunen-Loeve分解法．研究表明，随机过程正交展开所需独立随机变量的数量，主要取决于随机过程的频谱特性与持续时间，同时与标准正交基的选取也有一定的关系．     

Selective Smoothed Finite Element Method

The paper examines three selective schemes for the smoothed finite element method (SFEM) which was formulated by incorporating a cell-wise strain smoothing operation into the standard compatible finite element method (FEM). These selective SFEM schemes were formulated based on three selective integration FEM schemes with similar properties found between the number of smoothing cells in the SFEM and the number of Gaussian integration points in the FEM. Both scheme 1 and scheme 2 are free of nearly incompressible locking, but scheme 2 is more general and gives better results than scheme 1. In addition, scheme 2 can be applied to anisotropic and nonlinear situations, while scheme 1 can only be applied to isotropic and linear situations. Scheme 3 is free of shear locking. This scheme can be applied to plate and shell problems. Results of the numerical study show that the selective SFEM schemes give more accurate results than the FEM schemes.     

基于随机有限元的结构优化设计

主要探讨了用随机有限元法分析结构可靠度及优化设计的方法,优化方法采用直接法中有代表性的复形法,设计中考虑了荷载和抗力的随机性;优化模式中,用强度、稳定等的可靠性约束取代传统的优化模式中的确定性静态约束,进行结构体形优化．最后对工程实例进行分析计算,得出一些有益的结论．     

力电湿多物理场耦合Cell-Based光滑有限元法研究

为了解决压电结构在实际工程应用中受到空气湿度影响的问题,基于压电材料的本构方程、几何方程和平衡方程提出了力电湿多物理场耦合Cell-based光滑有限元模型.建立了一种新型压电俘能器,并对其简化模型的静力学性能进行求解,对比了不同湿度变化对结构性能的影响.与有限元法的计算结果对比,Cell-based光滑有限元法采用较少的网格就能够达到与有限元法采用较多的网格相同的精度,验证了本方法的正确性和有效性.研究发现,较小的湿度变化给结构的广义位移带来了较大的影响.压电结构在潮湿环境下的性能研究为复合材料产品化过程提供了理论依据.     

无界域电磁场问题的有限元—本征函数展开结合解法

基于区域分裂的思想，通过引入一虚拟圆形边界，将整个无界域划分为圆内、外两部分。圆内有限区域采用通常的有限元离散，而将整个圆外无限区域看作一个“无限大”的单元，采用以本征函数展开的Ｆｏｕｒｉｅｒ级数作为插值函数的离散方法。这种处理方法能够很好地把有限元法的求解区域推广至无穷远，实现了它在无界域电磁场数值分析中的应用，从而形成了一种新型的解法。文中以无界域中典型电磁场问题为例证，说明了有限元－本征函数     

界面裂纹的Cell-Based光滑有限元法研究

为提高求解含界面裂纹结构断裂参数的精度,基于界面断裂力学和Cell-Based光滑有限元法,提出了求解双材料界面裂纹断裂参数的Cell-Based光滑有限元法,给出了求解应力强度因子的光滑子域交互积分法,对含中心界面裂纹双材料无限板进行了模拟,并与FEM计算结果和解析解进行了对比,讨论了光滑子元数和单元个数与正则应力强度因子的关系及其收敛性.数值算例结果表明该方法具有很好的收敛性和精度,可为研究人员和工程师设计制造多层材料提供必要参考.     

挡水结构地基渗流问题的随机有限元分析

采用蒙特卡罗模拟的随机有限元方法,并结合渗流随机场的概念,对设置有两道防渗墙的大坝渗流问题进行分析.研究了渗透系数标准差和空间相关距离对坝基渗流参数的影响,对比了确定性分析和随机有限元分析.结果表明,土体渗透系数标准差和空间相关距离对流量、扬压力和出逸梯度有较显著影响.     

一种基于复数变量求偏导的随机有限元可靠度法

提出一种基于复数变量求偏导的随机有限元可靠度法.将工程中的随机因素设置为复数变量,通过复数函数的泰勒级数展式得到一阶导数的近似计算式.这种求导方法效率高,精度高,应用简单方便,只需在复数空间进行有限元计算,无需对有限元方程进行偏导计算,便可求出响应量的偏导数,进而求得响应量的方差.在随机有限元一次二阶矩的迭代格式中,取复数空间有限元计算结果的实部作为响应量的值,这样在求可靠度系数的迭代过程中,无需再在实数空间进行计算.复数变量法大大简化了随机有限元(SFEM)和随机有限元可靠度(SFEMR)的计算和编程过程,为工程应用提供了一种现实可行的途径.     

基于光滑有限元的含裂纹复合材料的虚拟裂纹闭合法

为提高求解断裂参数的精度和效率,将光滑有限元法与虚拟裂纹闭合法相结合,提出光滑有限元-虚拟裂纹闭合法.对含不同长度和角度的倾斜裂纹复合材料圆板的断裂参数进行了求解,并与有限元-虚拟裂纹闭合法计算结果进行了对比.数值算例结果验证了该方法具有高精度,裂纹尖端处单元不需特殊处理,对网格尺寸要求低等优点,是分析断裂问题简洁高效的数值计算方法.