三维径向点插值无网格法及其在流固耦合中的应用

径向基函数点插值无网格法(radial point interpolation method,RPIM)是一种新型的无网格法,其形函数具有插值特性,且形式简单,易于施加本质边界条件。文中介绍了径向基函数点插值无网格法的基本原理,推导了三维情况下点插值无网格法的基本公式。从变分原理出发,结合比奥固结理论,建立了流-固耦合的三维点插值无网格法基本方程和数值积分方法,并开发了相应计算程序。通过三维悬臂梁和单向固结问题的数值试验,验证了该方法对三维弹性问题和流-固耦合问题的适用性和有效性     

有限覆盖径向点插值法及其在土工问题中的应用

将有限覆盖技术与径向点插值方法相结合发展了有限覆盖径向点插值无网格方法,从而综合了数值流形方法与点插值方法的各自优点,能够有效地处理连续与非连续性问题。用该方法构造的形函数具有Kronecker ? -函数属性,方便了位移边界条件的处理。在简要阐述了这种方法基本原理的基础上,将该方法用用于地基附加应力计算分析,结果证明本文方法精度高,方法简单有效。     

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.     

重力异常二维正演中的无网格方法

无网格法是一类新型数值算法,具有精度高、高阶形函数构造与物性加载便利等特点,在计算力学领域应用广泛。将无网格方法（PIM、RPIM及EFGM）用于重力异常场二维正演计算：首先从重力异常二维变分问题出发,利用Galerkin法结合高斯积分公式推导了对应的无网格离散系统矩阵表达式;其次通过数值试验得出了RPIM-MQ、RPIM-exp及EFGM-exp形状参数的建议值,最后比较分析了最优形状参数下不同无网格法的计算效果。结果表明：无网格法适用于介质物性分布变化较大的重力异常二维正演,exp函数形状参数α_c最优取值区间为[1.5,1.7],β建议值为0.6,MQ函数q取值区间为-4.1~1.9;EFGM较PIM及RPIM具有更高的计算精度。     

波浪作用下沙坝剖面形成过程的数值模拟

建立了波浪、底部离岸流、泥沙运动和沙滩剖面演变耦合数学模型,模拟了实验室中波浪作用下沙坝剖面的形成过程,讨论了各个物理参数对剖面上的水动力和地形变化的影响。通过参数率定,较好地复演了不规则波作用下沙滩地形由均匀斜坡向沙坝剖面的演变,波高、底部离岸流、输沙率和剖面演变的计算结果与实测数据吻合良好。采用数值实验和误差分析方法,讨论了破碎波水滚倾角、泥沙扩散系数和床面休止角等物理参数对计算结果的影响。研究表明,所建立的模型能较好地描述波浪作用下沙坝剖面形成过程中的重要物理机制。     

求解声波方程的径向基函数无网格法

地震勘探广泛应用于油气、煤田勘探。地震波场数值模拟是整个地震勘探数据处理技术的基石。将径向基函数（RBF）引入地震声波波场数值模拟中,在空间上用径向基函数无网格法来构造二阶导数,而在时间上采用简单的二阶差分公式,并重点讨论了形状参数c对该方法精度的影响,总结c经验取值范围为2~4倍平均数据点间距。设计不同模型,利用径向基函数无网格法进行声波波场模拟,并与空间四阶时间二阶的有限差分计算结果进行对比,结果表明：同样精度下,径向基函数每个波长所取的数据点数远小于空间四阶矩形网格有限差分每个波长所取的网格点数,即径向基函数的空间采样率更低,这表明径向基函数具有更小的数值频散。     

时空径向基函数配点法在计算二维地下水非稳定流动问题中的应用

本文中使用的径向基函数配点法是以时空配点法为基础来解决抛物型方程的一类问题。这种方法与近似求时间导数的隐式,显式法以及其他数值法不同,它不需要对离散系统的时间稳定性进行分析。用时空径向基函数配点法求解二维地下水非稳定流动问题,通过呈现有混合边界条件及只有一类边界条件两种情况下的计算结果,说明了该方法求解该问题的精度及效率较高,结果理想。     

波流共存场中多向随机波浪传播变形数学模型

基于波作用量守恒方程建立了波流共存场中多向随机波浪传播变形数学模型,模型中考虑了波浪绕射的影响和水流引起的波浪弥散多普勒效应,应用包含水流和地形影响的激破波模式计算波浪破碎的能量耗散,采用一阶上迎风有限差分格式离散控制方程。分别计算了有无近岸流情况下单向和多向随机波浪的波高分布,考虑水流影响的数值计算结果与物理模型实验数据吻合良好,比较分析表明,所建立的数学模型能够复演由于离岸流引起的波高增大,可用于波流共存场多向随机波浪传播变形的模拟和预报。     

基于物质点法的土体流动大变形过程数值模拟

土体滑坡作为一种自然地质灾害,受自然因素和人类活动的影响在我国时有发生,给周围居民的生命和财产安全带来了很大威胁,日益受到人们的广泛关注。滑坡防治也逐渐成为工程研究的热点之一。土体本质上是一种具有复杂组成结构的颗粒材料堆积体,通过对颗粒流动的模拟可以深入理解自然界中的土体流动现象,如滑坡、泥石流等,进而预测灾害破坏范围及改进相应工程防护措施。但由于土体流动是一个涉及大变形及大位移的复杂流动过程,传统的基于网格的有限元法（FEM）由于网格畸变,并不适合这类问题的研究。本文采用物质点法（MPM）模拟土体流动大变形问题。作为一种源于particle-in-cell（PIC）法的无网格法,兼具欧拉法和拉格朗日法的优点,因而,物质点法在处理大变形问题上具有独特的优势。目前,国内外利用物质点法模拟边坡滑动问题已有不少研究,但对相关参数进行敏感性分析的较少。本文基于物质点法模拟了黏性土体及无黏性土体流动大变形问题,并进行了参数敏感性分析,包括土体材料的内摩擦角、黏聚力、高宽比、底面坡度对土体滑动距离的影响规律。本文计算中采用Drucker-Prager（DP）弹塑性本构模型描述土的非线性特性。研究结果表明:（1）基于物质点法得到的土体的流动形态、滑动距离以及自然休止角等数值模拟结果均与文献中的实验结果基本吻合,验证了物质点法模拟土体大变形力学行为的精度及有效性;（2）随着内摩擦角、黏聚力的增大,滑动距离相应减小;（3）坡度对边坡稳定的影响是显著的,随着底面坡度的增大,滑动距离相应增大;（4）当土柱高宽比较小时,与滑动距离呈线性增长关系。其中,内摩擦角和黏聚力反映了土体的抗剪切性能,因此通过工程措施提高土体的抗剪能力可以降低土体滑坡带来的危害。研究结果为探索土体滑动破坏规律,降低滑动破坏范围提供了可靠的参考。     

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。     

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。     

Collapse loads for rectangular foundations by three-dimensional upper bound limit analysis using radial point interpolation method

A three-dimensional kinematic limit analysis approach based on the radial point interpolation method (RPIM) has been used to compute collapse loads for rectangular foundations. The analysis is based on the Mohr-Coulomb yield criterion and the associated flow rule. It is understood that the internal plastic power dissipation function and flow rule constraints can be expressed entirely in terms of plastic strain rates without involving stresses. The optimization problem has been solved on basis of the semidefinite programming (SDP) by using highly efficient primal-dual interior point solver MOSEK in MATLAB. The results have been presented in terms of the variation of the shape factors with changes in the aspect ratio (L/B) of the footing for different values of soil internal friction angle (ϕ). Computations have revealed that the shape factors, s_c and s_q, due to effects of cohesion and surcharge increase continuously with (1) decrease in L/B and (2) increase in ϕ. On the other hand, the shape factor s_γ, due to the effect of soil unit weight, increases very marginally with an increase in L/B up to (1) ϕ = 25° for a rough footing and (2) ϕ = 35° for a smooth footing. Thereafter, for greater values of ϕ, the variation of s_γ with L/B has been found to be quite similar to that of the factors s_c and s_q. The variations of (1) nodal velocity patterns, (2) plastic power dissipation, and (3) maximum plastic shear strain rates have also been examined to interpret the associated failure mechanism.     

固结问题的非线性局部点插值法解研究

局部点插值法是一种新型的无单元法,该法构造出的位移和孔隙水压力的形函数具有 函数特性,所以,本质边界条件很易处理。首先,介绍了基本理论,给出求解比奥固结问题的主要公式。其次,对复层软基堆载引起的固结和沉降问题作了计算,其中节点采用均匀分布方式,且为了考虑土体的非线性特性计算程序中耦合了邓肯-张模型。最后,把计算值与有限元法、一维固结理论计算结果进行了对比。结果表明该法精度高,令人满意。     

水库滑坡涌浪传播有限元数值模拟

库岸滑坡涌浪危害巨大,正确预测库区可能的滑坡涌浪非常重要,是工程可行性论证的重要内容之一。将浅水控制方程应用于滑坡涌浪数值模拟,控制方程采用简便且具有较高精度的两步Taylor-Galerkin方法进行求解。通过算例对数值模型的应用进行验证,结果表明,涌浪产生后将以入水点为源点迅速向四周推进并不断衰减,且随传播距离的增加浪高降幅逐渐减小。计算的涌浪高度及水位变化规律与实测资料吻合得很好,并将滑坡涌浪的沿程传播过程可视化。研究结果表明,文中方法模拟滑坡涌浪传播是有效可行的,可用于滑坡涌浪灾害的预测和防治。     

Storm waves in the Canadian Atlantic: A numerical simulation

The Grand Banks and the Scotian Shelf regions of the Canadian Atlantic often experience strong winds and high waves associated with the passage of intense storms during the winter months of December to March. These storm waves are identified as a major hazard to shipping, offshore exploration and other marine activities in eastern Canada.In this study, an operational spectral ocean wave model has been used to simulate sea-states associated with selected storm events in the Canadian Atlantic. The wave model operates on a grid (with grid spacing of about 111 km) which covers a major portion of the north Atlantic. A nested fine grid (with grid spacing of about 37 km) has been designed which covers the shelf regions of the Canadian Atlantic. The model employs deep-water physics over the coarse grid while over the fine grid shallow-water processes as represented by wave refraction, wave shoaling, bottom friction and wave number scaling are included. The wave model also includes, as an optional package, the third-generation source terms as represented by the nonlinear wave-wave interaction terms.For two selected storm events, the model generated sea-states are evaluated against available buoy data as well as against hand analyzed operational wave height charts over the northwest Atlantic. The evaluation shows that the various versions of the model can simulate the observed sea-states, reasonably well. The utility of the wave model in providing numerical guidance for offshore activities is briefly discussed.