基于紧支径向基函数的点插值无网格方法

紧支径向基函数能使支配方程中的刚度矩阵具有稀疏性,很适合应用于无网格方法中,其缺点是在插值计算时精度不高.点插值方法的插值函数具有Delta函数性质,可以很方便的施加本质边界条件,但在计算插值函数时矩阵易出现奇异.为了提高计算精度并避免点插值法的局限性,首先对紧支径向基函数进行完备性修正,然后用完备性修正的紧支径向基函数代替多项式来形成插值函数,建立了紧支径向基函数点插值方法.由于该方法中的形函数满足Delta函数性质,因此本质边界条件可以像传统的有限元方法一样很容易施加.然后将该方法用于二维弹性静力问题的求解,导出了其相应的离散方程.最后将该方法应用于一个悬臂梁的分析中,初步验证了该方法的有效性与合理性.     

Winkler地基上Kirchhoff板分析的RKPM无网格法

RKPM是基于核函数(样条函数)近似的一种典型无网格计算方法。完整推导了RKPM无网格法形函数的一阶、二阶导函数,结合Kirchhoff薄板理论,建立了Winkler地基上薄板弯曲挠度的RKPM无网格法求解控制方程,编制了相应的程序,算例分析表明,该方法有效可行。     

自然单元法在岩土工程中应用两例

自然单元法(NEM)是较近出现的一种无网格方法,其形函数兼有无网格的特点和传统有限元的优点,是一种理想的适合岩土工程问题计算的新型数值方法。介绍了自然单元法的基本原理和特性,并讨论了其在岩土工程中的具体应用。将Goodman单元引入自然单元法以实现对不连续面的模拟,研究表明,在NEM中加入节理单元的总体原则和具体的实施细节与FEM中完全相同;而在一般的无网格方法中,则稍微复杂一点。为了实现对岩土工程中常见的无限域或半无限域问题的模拟,引入了无界单元;由于自然单元法的特性,自然单元法和无界元可实现无缝“耦合”。具体的数值算例验证了上述思路。     

Threshold of motion of bivalve and gastropod shells under oscillatory flow in flume experiments

The threshold of motion of non-fragmented mollusc shells was studied for the first time under oscillatory flow. In this regard, flume experiments were used to investigate the threshold of motion of three bivalve and three gastropod species, two typical mollusc classes of coastal coquina deposits. The sieve diameters ranged from 2·0 to 15·9 mm. These experiments were performed on a flat-bottom setup under regular non-breaking waves (swell) produced by a flap-type wave generator. The critical Shields values for each species of mollusc were plotted against the sieve and nominal diameter. Moreover, the dimensionless Corey shape factor of the shells was evaluated in order to investigate the effect of mollusc shell shapes on the threshold of motion. According to their critical Shields parameter, the mollusc threshold data under oscillatory flow present smaller values than the siliciclastic sediments when considering their sieve diameter. In addition, the mollusc datasets are below the empirical curves built from siliciclastic grain data under current and waves. When considering the nominal diameter, the critical Shields parameter increases and the mollusc data are closer to siliciclastic sediments. Bivalves, which have a flat-concave shape (form factor: 0·27 to 0·37), have a higher critical Shields parameter for smaller particles and more uniform datasets than the gastropod scattered data, which have a rounded shape (form factor: 0·58 to 0·62) and have varied morphologies (ellipsoidal, conical and cubic). The comparison between previous current-driven threshold data of bioclastic sediment motion and the data of mollusc whole shells under oscillatory flow shows a fair correlation on the Shields diagram, in which all datasets are below the mean empirical curves for siliciclastic sediments. These findings indicate that the shape effect on the transport initiation is predominant for smaller shells. The use of the nominal diameter is satisfactory to improve the bioclastic and siliciclastic data correlation.     

基于单位分解的扩展径向点插值无网格法

针对线弹性断裂力学问题,提出扩展径向点插值无网格法（X-RPIM）。该方法基于单位分解思想,在传统径向点插值无网格法的位移模式中加入扩展项来描述裂纹两侧的不连续位移场和裂尖奇异场。由于其形函数具有Kronecker ? 函数性质,易于施加本质边界条件。详细描述了X-RPIM不连续位移模式的建立,支配方程的离散形式以及J积分计算混合模式裂纹的应力强度因子的实现过程,讨论了不同积分区域对应力强度因子的影响。数值算例分析证明了该方法在求解断裂问题时的可行性和有效性,同时说明扩展径向点插值无网格法在模拟裂纹扩展问题时具有良好的前景。     

一维地下水非稳定流计算的配点法

传统的地下水数值计算方法(如有限元法和有限差分法)都需要网格或单元,网格生成需要占用大量的计算时间,求解所需数据量也较大。配点型无网格法摆脱了网格和单元的限制,只需节点信息,且节点布置灵活,易于实施。本文将配点型无网格法应用于解决一维地下水非稳定流计算问题,用MATLAB编制相应的程序,将结果与解析解和传统方法的计算结果相比较,计算得到的结果与解析解吻合很好,精度较高,计算过程简单,稳定性好。     

弹性地基上水工结构各向异性Mindlin底板计算分析的无单元法（EFGM）

无单元法（element free galerkin method）是一种基于滑动最小二乘法构造插值函数的无网格数值方法。以该方法中插值函数及其导函数为基础,从变分原理出发,建立了弹性地基上正交各向异性Mindlin板的无单元法求解控制方程,其中弹性地基采用Winkler地基模型。对该理论方法进行了相应的程序实现,最后通过算例分析表明了提出方法用于水工结构中弹性地基板问题分析的可行性和有效性。     

岩土工程中的杂交边界点方法

改进了正则化的杂交边界点方法,提出了岩土工程中一种新的数值方法。该方法将基本解的源点布在边界上,避免了自由参数的选取,将修正变分原理同移动最小二乘法结合起来,不但有边界元降维的优点,而且还是一种真正的无网格方法,输入数据只是求解域上离散分布的点,后处理十分简便。同时它适合于处理岩土工程的无限域问题。数值算例表明,它是一种计算精度很高的数值方法,适合于岩土工程中的若干问题。     

基于三次插值的大地电磁自适应有限元二维正演模拟

大地电磁(MT)数值模拟中通常使用有限单元法,通过伽辽金(Galerkin)法将微分方程转化为与其等价的泛函形式,对泛函求取极值并在单元上定义插值基函数,得到节点上电磁场值的线性方程组,最终形成大型复对称稀疏矩阵。要达到较高的有限元计算精度,一般采用密集的网格或高次插值的方法,这样做大大的减慢了正演的速度。结合两者的优点利用三次插值和h-型自适应相结合的有限元法来实现MT的正演算法。首先从一个粗网格出发并利用三次插值,通过后验误差估计方法局部加密网格,在计算量较小的情况获得较高的计算精度。这种方法可以针对目标区域和介质分界面发生突变处进行网格加密,不需要全局加密网格。最后通过对国际标准模型COMMEMI-2D1的模拟,分别比较二次插值与三次插值的自适应网格数量和数值模拟结果,证明了三次插值自适应有限元算法的可行性。     

Physics informed machine learning: Seismic wave equation

Similar to many fields of sciences, recent deep learning advances have been applied extensively in geosciences for both small- and large-scale problems. However, the necessity of using large training data and the ‘black box’ nature of learning have limited them in practice and difficult to interpret. Furthermore, including the governing equations and physical facts in such methods is also another challenge, which entails either ignoring the physics or simplifying them using unrealistic data. To address such issues, physics informed machine learning methods have been developed which can integrate the governing physics law into the learning process. In this work, a 1-dimensional (1D) time-dependent seismic wave equation is considered and solved using two methods, namely Gaussian process (GP) and physics informed neural networks. We show that these meshless methods are trained by smaller amount of data and can predict the solution of the equation with even high accuracy. They are also capable of inverting any parameter involved in the governing equation such as wave velocity in our case. Results show that the GP can predict the solution of the seismic wave equation with a lower level of error, while our developed neural network is more accurate for velocity (P- and S-wave) and density inversion.     

基于节点计算的自适应数值积分及其程序实现

数值积分是基于节点计算的数值分析方法的关键技术之一。针对完全无网格法的计算要求，提出了一种能自动适应任意计算域上各种节点分布方式的数值积分算法。该算法能随计算点的位置不同，自动确定积分域及积分域内的求积点，计算出数值积分结果，给出了临空边坡滑移体和圆孔方板2个实例。结果表明，按文中算法编制的程序具有良好的边界再生能力和较高的计算精度，可作为基于节点数值分析方法的一个程序模块，用于实际计算。底层算法思想，使得程序可方便地转换为其他计算语言。     

二维起伏地表直流电场插值法数值模拟

本文提出了一种采用插值法实现边界条件的有限差分数值模拟新方法, 地表函数通过三次样条插值能很好的拟合真实地表形状。其地表边界条件的实现思想是在地表法线方向上寻找一个与地表点位于同一等位线上的点, 该点通过周围点插值来建立离散方程。采用不规则四边形距离加权插值法使插值形式统一化。在水平地表情况下做的数值解与解析解的对比分析表明: 该方法的计算精度适合要求, 对山谷模型的实例计算也得到了视电阻率与地形成镜像对称的结果。     

无网格法在地下水水位预测中的应用

基于移动最小二乘理论的无网格法是近几年来兴起的一种新的数值计算方法,与有限元法相比,它的主要优点在于无需单元信息,只需节点信息。用无网格法构造了场函数,包括基函数和权函数的选取,形函数及其导数的计算。根据鞍山市首山区水文地质条件,建立了求解双层渗流二维平面系统的数学模型,详细推导了模型求解的无网格方程。应用已识别的参数,用无网格法对该数学模型进行了求解, 并对该区的地下水水位进行了预测,预测的水位与实际水位变化规律基本一致。     

Prediction of probabilistic settlements via spectral stochastic meshless local Petrov–Galerkin method

This study introduces the prediction of probabilistic settlements with the uncertainty in the spatial variability of Young’s modulus to illustrate the preliminary development of a spectral stochastic meshless local Petrov–Galerkin (SSMLPG) method. Generalized polynomial chaos expansions of Young’s moduli and a two-dimensional meshfree weak–strong formulation in elasticity are combined to derive the SSMLPG formulation. Because of the local and truly meshless nature, the SSMLPG method is more computationally efficient than available stochastic numerical methods. Two examples further show that SSMLPG-based predictions remain sufficiently accurate even in case of scattered nodes. Therefore, the SSMLPG method can be a valuable alternative for solving stochastic boundary-value problems.     

岩土体渗流自由面问题的重心插值无网格方法

岩土体的渗透破坏、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关。针对渗流自由面问题,提出一种重心拉格朗日插值的配点型无网格方法。由于渗流自由面问题的求解区域是不规则区域,该方法通过将不规则求解区域嵌入一个正则矩形区域,在正则区域上采用重心拉格朗日插值近似未知函数,利用配点法离散渗流问题的控制方程,将重心拉格朗日插值的微分矩阵离散成代数方程表达的矩阵形式。将自由面上的边界条件通过重心拉格朗日插值离散,通过置换方程法和附加方程法施加边界条件,利用正则区域上的重心插值配点法,通过迭代确定最终自由面的位置。数值算例表明所提出的无网格方法对于求解渗流自由面问题的正确性和高精度。     

岩体渗流分析的无网格方法

岩体的渗透破坏、岩体中石油渗流、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关。但由于岩体渗流介质的非均质性和各向异性特性、边界条件和几何形状的复杂性、初始条件的不确定性等因素制约着解析法在渗流计算中的广泛应用。应用无网格方法来求解岩体的渗流问题,通过变分原理详细推导无网格方法求解岩体渗流的离散方程及相关的计算公式,并利用有限元耦合方法对边界条件进行了处理。通过两个数值算例说明该方法的正确性和有效性。     

弹性地基中厚板弯曲问题的无网格LRPIM分析

无网格局部径向点插值方法（LRPIM）的形状函数具有Kronecker delta函数的特性,便于施加位移边界条件,不需要进行特殊地处理。采用局部加权残值法推导了双参数弹性地基中厚板的离散系统方程,利用无网格LRPIM对四边简支和四边固支以及筏式双参数弹性地基中厚板的弯曲问题进行了分析和计算。算例表明,用无网格LRPIM分析弹性地基中厚板问题具有非常灵活和易于实现等优点。     

Neighborhood discontinuities in bivariate interpolation of scattered observations

Because of the need for computational efficiency, bivariate interpolation methods applied to scattered observations often involve two stages. Initially the variable is estimated at regular grid nodes using a running subset of data (usually of fixed number). This, however, will produce discontinuities in the interpolated surface. Thus a second stage, curvilinear interpolation technique, is applied to estimated values to smooth out the effect of discontinuities. Such problems can be overcome efficiently in processing large data sets by interpolating over natural neighbor subsets. Interpolation procedures that generate discontinuities in the interpolated surface are inappropriate for geological applications, where dislocations due to structural complications may be present.     

岩土工程中的双互易杂交边界点法

杂交边界点法是一种边界类型的无网格法,它以修正变分原理和移动最小二乘近似为基础,同时具有边界元法和无网格法的优良特性。将该方法同双重互易法结合,将问题的解分为通解和特解两部分,通解使用杂交边界点方法求解,特解则利用局部径向基函数近似。该方法输入数据只是求解域上离散的点,不需要额外的方程来计算域内物理量,后处理十分简便。数值算例表明,该方法是一种计算精度很高的数值方法,适合于岩土工程的若干问题。     

与距离成反比加权法的数据插值方法及程序实现

总结了各种插值方法及其特点，详细阐述了与距离成反比加权法插值方法，在原有方法的基础上提出了新的改进后的与距离成反比加权法插值方法，并由此引入了影响域、影响点集和数据块交集的概念。开发出基于VC 的二维平面和三维空间散乱数据改进的与距离成反比加权法插值算法类，并嵌入电磁资料处理系统软件，为海量电磁资料数据、重力场数据的插值提供了便利。