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《中国科学技术大学》 2006年
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光滑粒子法与有限元的耦合算法及其在冲击动力学中的应用

王吉  
【摘要】:本文较为系统和全面的介绍了Lagrange有限元法、光滑粒子法和一种光滑粒子与有限元的耦合算法的基本原理及离散思想。详细讨论了这三种方法中的一些基本问题,如有限元法中的离散格式、滑移面问题,光滑粒子法中的离散格式、核函数、光滑长度等问题,以及耦合算法中有限元单元向光滑粒子的转换问题、光滑粒子与有限元交界面上的滑移计算和交界面附近光滑粒子的计算等问题。最后将耦合算法应用于一维应变波传播和高速碰撞计算,通过与有限元及纯光滑粒子法的对比计算说明耦合算法的特点和长处。 首先介绍了采用Lagrange有限元离散连续介质力学守恒方程的基本思想和计算步骤。讨论了有限元法在高速侵彻模拟计算中出现的滑移面问题和单元大畸变问题,给出了相应的处理方法。 然后利用插值理论,给出光滑粒子算法中函数及函数各阶导数的核估计,分析了光滑粒子法离散连续介质力学守恒方程组的基本方法及相应的离散形式。此外还讨论了光滑粒子法中的一些基本问题,比如核函数的性质、光滑长度的选取、人工粘性、守恒光滑法、本构关系以及该方法计算的主要步骤和时间步长选取等。 接着介绍了一种光滑粒子与有限元的耦合算法,这种算法在初始时刻用有限元方法建模,随着变形的增大,大变形区域的有限元单元将自动转换成光滑粒子进行模拟计算,从而保证计算的正常进行。讨论和分析了耦合算法中的三个主要难点,有限元单元向光滑粒子的转换问题、光滑粒子与有限元交界面上的滑移计算问题和交界面附近光滑粒子的计算问题,提出了解决的方法并给出了全部算式。 粒子搜索算法在耦合算法和光滑粒子法中都起着非常重要的作用,直接决定了计算效率,以此为目标,利用核函数影响域的局域性,提出了一种搜索简便、计算效率获得很大提高的分区搜索算法。边界的确定也是耦合算法与光滑粒子法的一个难点。本文通过引入粒子边界圆的概念,提出了依据边界圆的覆盖方式区分边界点和内点,有效地解决了边界难以确定的问题。 将耦合算法应用于一维应变波计算是冲击力学数值方法研究中的重要内容之一。一维应变波算例的结果显示,耦合算法完全可以用于弹塑性波传播和演化规律的数值模拟,其精度与有限元法和纯光滑粒子法相当,但其计算效率要比光滑粒子法高。这为材料和结构冲击响应的数值方法研究积累了经验,拓宽了耦合算法的应用范围。 最后本文研究了二维轴对称条件下光滑粒子法的离散思想、方法和全部算式,并将耦合算法成功应用于高速碰撞和侵彻贯穿模拟计算。通过Taylor碰撞的考核计算,验证了耦合算法计算高速碰撞和大变形问题的能力和精度。在高速碰撞和侵彻贯穿计算中,比较了有限元法、纯光滑粒子法和耦合算法的计算结果,讨论了三种
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:O347

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 金峰;方修君;;扩展有限元法及与其它数值方法的联系[J];工程力学;2008年S1期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 焦培刚;基于SPH的流体仿真数值算法及工程应用研究[D];山东大学;2010年
2 郑俊;SPH基本问题研究及其在高速水下物体流场模拟中的应用[D];哈尔滨工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 陈娟;水下爆炸冲击载荷的SPH算法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 胡军军;基于Coulomb摩擦阻尼的离散单元法[D];西南交通大学;2010年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 王肖钧,张刚明,刘文韬,周钟;弹塑性波计算中的光滑粒子法[J];爆炸与冲击;2002年02期
2 许沭华,王肖钧,张刚明,刘文韬;预扭转钨合金杆弹侵彻钢靶的数值模拟[J];爆炸与冲击;2002年03期
3 王肖钧,肖绍平,胡秀章;通量修正输运法在动态有限差分和有限元中的应用[J];爆炸与冲击;1998年03期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张伟星;正交各向异性薄板计算新方法[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2000年02期
2 张伟刚;;弹性地基上钢筋混凝土板计算新方法[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2006年02期
3 张伟刚;;钢筋混凝土板分析的边界无单元法[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2006年03期
4 任学军;;改进型无网格Galerkin法与有限元法的耦合及其应用研究[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2010年05期
5 宋康祖;张雄;陆明万;;MESHLESS METHOD BASED ON COLLOCATION WITH CONSISTENT COMPACTLY SUPPORTED RADIAL BASIS FUNCTIONS[J];Acta Mechanica Sinica;2004年05期
6 A.K. Soh;H.C. KIM;J.J. Lee;;Analysis of piezoelectric ceramic multilayer actuators based on an electro-mechanical coupled meshless method[J];Acta Mechanica Sinica;2006年01期
7 ;Application of MLPG in large deformation analysis[J];Acta Mechanica Sinica;2006年04期
8 Serge Cescotto;Barbara Rossi;;A natural neighbour method based on Fraeijs de Veubeke variational principle for materially non-linear problems[J];Acta Mechanica Sinica;2009年01期
9 C. Zheng;X. H. Tang;J. H. Zhang;S. C. Wu;;A novel mesh-free poly-cell Galerkin method[J];Acta Mechanica Sinica;2009年04期
10 Alireza Sadeghirad;Iradj Mahmoudzadeh Kani;Mohammad Rahimian;Ali Vaziri Astaneh;;A numerical approach based on the meshless collocation method in elastodynamics[J];Acta Mechanica Sinica;2009年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王杰光;肖明贵;刘宝臣;;滑动最小二乘近似函数的拟合特性及其应用[A];第十一届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2002年
2 赵光明;宋顺成;;高速冲击过程数值模拟的再生核质点法研究[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
3 高凌天;刘凯欣;刘颖;;无网格方法在冲击动力学中的应用[A];计算爆炸力学进展[C];2006年
4 苑维然;陈璞;刘凯欣;;带有双重循环展开的非对称稀疏线性方程组快速直接解法[A];计算爆炸力学进展[C];2006年
5 陈睿;韩旭;胡德安;杨刚;肖毅华;;基于隔步搜索的移动最小二乘粒子流体动力学方法[A];第九届全国冲击动力学学术会议论文集(上册)[C];2009年
6 赵亮;李书;鲁大伟;;MLPG混合配点法在形状优化中的应用研究[A];结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009(CSMO-2009)论文集[C];2009年
7 李顺利;龙述尧;;基于自然邻接点局部Petrov-Galerkin法的板结构拓扑优化[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
8 郑娟;龙述尧;李光耀;;基于无网格径向点插值方法的简谐激励下的连续体结构拓扑优化[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
9 强洪夫;陈福振;高巍然;;基于SPH方法的表面张力修正算法及其应用[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
10 唐志波;谢永和;;船体腐蚀疲劳问题以及数值计算方法研究进展(英文)[A];2007年船舶力学学术会议暨《船舶力学》创刊十周年纪念学术会议论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郑兴;SPH方法改进研究及其在自由面流动问题中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 张忠;固体炸药冲击起爆的物质点法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 杨庆年;武汉地铁车站深基坑变形特性分析[D];华中科技大学;2010年
4 张祖军;无网格法及其在注塑充填数值分析中的应用[D];华南理工大学;2010年
5 张华;冲击荷载作用下岩石动态损伤特性研究[D];昆明理工大学;2009年
6 乔华;Arlequin构架下结构多尺度数值模拟[D];浙江大学;2011年
7 赖生建;计算电磁学中的径向基无网格法[D];电子科技大学;2010年
8 邹鹏;基于B样条小波基的无网格法研究[D];吉林大学;2011年
9 周立明;不确定性结构的无网格伽辽金法研究[D];吉林大学;2011年
10 周强;基于离散元方法的颗粒材料热传导研究[D];大连理工大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 崔凯华;高能炸药冲击起爆数值模拟[D];中国工程物理研究院;2010年
2 隋晓艳;有限点法在地下水稳定流模拟中的应用[D];辽宁师范大学;2010年
3 陈娟;水下爆炸冲击载荷的SPH算法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 刘博;自然元方法的分析及其在偏微分方程中的应用[D];湘潭大学;2010年
5 刘壮添;工程结构的FEM-MFREE耦合计算研究[D];昆明理工大学;2008年
6 冯玲兵;基于有限元分析的绉片机辊筒横压力的数学模型研究[D];昆明理工大学;2009年
7 张俊贤;题解无网格法及其与有限元法的比较研究初步[D];烟台大学;2010年
8 李航;复杂地质条件下隧道破坏过程研究[D];沈阳建筑大学;2011年
9 王敏;广义Rosenau方程的有限差分法[D];沈阳师范大学;2011年
10 王洋;含裂纹结构模糊随机无网格伽辽金法的研究[D];吉林大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈朗,冯长根,黄毅民;含铝炸药圆筒试验及爆轰产物JWL状态方程研究[J];火炸药学报;2001年03期
2 周建辉;孙新利;高巍然;韩亚伟;聂虎;;基于修正SPH方法的爆轰波绕射传播的数值模拟[J];火炸药学报;2009年01期
3 穆利军;蔡远文;;国外战略导弹的现状及发展趋势[J];兵工自动化;2007年04期
4 闫晓军,张玉珠,聂景旭;空间碎片超高速碰撞数值模拟的SPH方法[J];北京航空航天大学学报;2005年03期
5 谢灼利,张政;气力输送的数值模拟研究[J];北京化工大学学报(自然科学版);2001年01期
6 王继海;多项式形式Mie-Grüneisen物态方程及其等熵线[J];爆炸与冲击;1992年01期
7 王肖钧,张刚明,刘文韬,周钟;弹塑性波计算中的光滑粒子法[J];爆炸与冲击;2002年02期
8 赵震宇,王喜臣;C/C++与FORTRAN混合编程技术及其应用研究[J];长春科技大学学报;2001年02期
9 石健;关于装填高能炸药圆筒的膨胀和JWL状态方程式[J];弹箭技术;1994年02期
10 齐振伟;蔡清裕;;运用率相关连续损伤模型及FE-SPH方法模拟混凝土侵彻[J];弹箭与制导学报;2008年02期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 田荣;连续与非连续变形分析的有限覆盖无单元方法及其应用研究[D];大连理工大学;2000年
2 刘建湖;舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用[D];中国船舶科学研究中心;2002年
3 徐立;R-T不稳定性非线性发展和SPH模拟[D];中国工程物理研究院北京研究生部;2002年
4 金宏彬;纤维束冲击拉伸的数值模拟[D];东华大学;2005年
5 崔青玲;无网格RKPM法及其在轧制中的应用[D];东北大学;2005年
6 张有为;固体火箭发动机水下工作特性的研究[D];中国科学技术大学;2007年
7 吴剑;滑带剪切过程的离散元模拟研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2007年
8 秦建敏;基于离散元模拟的岩土力学性能研究及应变局部化理论分析[D];大连理工大学;2007年
9 张阿漫;水下爆炸气泡三维动态特性研究[D];哈尔滨工程大学;2007年
10 贾力平;空化器诱导超空泡特性的数值仿真与试验研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 邓方刚;柱坐标系下光滑粒子流体动力学数值模拟[D];国防科学技术大学;2002年
2 李志;料仓中湿颗粒流动规律的数值仿真与试验研究[D];西安建筑科技大学;2003年
3 方韬;离散单元法的研究及其在结构工程中的应用[D];浙江大学;2004年
4 杨辉;气力输送计算机设计计算系统的研制与开发[D];浙江大学;2004年
5 金阿芳;沙纹形成的数值模拟及SPH方法研究[D];新疆大学;2004年
6 谢育新;热传导的光滑粒子法数值模拟研究[D];国防科学技术大学;2004年
7 刘瑛琦;基于SPH方法的数值波浪水槽研究[D];河海大学;2006年
8 陈建设;无网格SPH方法在板冲击问题中的数值模拟与应用研究[D];西北工业大学;2007年
9 张道建;气力输送管路流型虚拟可视化技术研究[D];山东大学;2007年
10 贾慧敏;二维超圆形颗粒离散元法计算仿真软件研制[D];吉林大学;2007年
【二级引证文献】
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1 郭历伦;陈忠富;罗景润;陈刚;;扩展有限元方法及应用综述[J];力学季刊;2011年04期
2 周小平;杨海清;董捷;;压应力状态下多裂纹扩展过程数值模拟[J];岩土工程学报;2010年02期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 姜莞;商用车动力总成悬置性能模拟与疲劳寿命预测研究[D];吉林大学;2011年
2 杨海清;裂隙岩体动态损伤局部化机理的理论及应用[D];重庆大学;2010年
3 朱玲;虚拟手术中软组织形变与切割技术研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
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1 宋洪健;车轮在松软地面上滚动过程的仿真软件研制[D];吉林大学;2011年
2 王新飞;沥青混合料细观结构的粘弹性力学及断裂力学数值分析[D];浙江大学;2011年
3 黄晶;平面与弯曲裂纹的扩展有限元法模拟[D];华中科技大学;2011年
4 刘波波;基于时域精细算法与扩展有限元技术的粘弹性位移场分析[D];大连理工大学;2009年
5 杨劲松;裂纹尖端应力应变场的数值模拟及分析[D];大连理工大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 许沭华,张刚明,王肖钧,魏志刚;预扭转钨合金杆弹侵彻能力的细观研究[J];爆炸与冲击;2000年02期
2 王肖钧,肖绍平,胡秀章;通量修正输运法在动态有限差分和有限元中的应用[J];爆炸与冲击;1998年03期
3 许沭华,胡时胜,王肖钧;预扭转钨合金杆弹侵彻能力的实验研究[J];弹道学报;1999年03期
4 秦孟兆,谢春生,梁德寿,谈庆明,刘小苹;二维不定常流体弹塑性问题数值计算的应用软件[J];数值计算与计算机应用;1984年03期
【相似文献】
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1 刘天生;张晋红;李长顺;;三种算法在侵彻模拟中的对比研究[J];弹箭与制导学报;2009年03期
2 严波;杜鹃;胡宁;关根英树;;一种有限元-边界元耦合分域算法[J];应用数学和力学;2006年04期
3 柳军;严波;赵莉;刘成;;基于转换矩阵的FEM/MLPG耦合算法[J];计算力学学报;2010年04期
4 夏爱生;胡宝安;刘俊峰;鞠涛;李兵;;一类弱奇性核第二类Fredholm积分方程的外推方法[J];军事交通学院学报;2007年04期
5 李飞;孙凌玉;张广越;康宁;;圆柱壳结构入水过程的流固耦合仿真与试验[J];北京航空航天大学学报;2007年09期
6 孙威,张莺;一种新兴的数值算法——无网格方法[J];辽宁工学院学报;2005年04期
7 赵光明;宋顺成;常志宇;;冲击动力过程的无网格数值分析方法[J];西南交通大学学报;2007年02期
8 谭德昕;刘献栋;单颖春;;颗粒阻尼减振器对板扭转振动减振的仿真研究[J];系统仿真学报;2011年08期
9 张刚明,王肖钧,胡秀章,周钟;光滑粒子法中的一种新的核函数[J];爆炸与冲击;2003年03期
10 王肖钧,张刚明,刘文韬,周钟;弹塑性波计算中的光滑粒子法[J];爆炸与冲击;2002年02期
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1 柳军;严波;袁江涛;姜乃斌;;一种耦合的有限元-无网格方法[A];现代数学和力学(MMM-XI):第十一届全国现代数学和力学学术会议论文集[C];2009年
2 李宏光;姚振汉;;重构核点法在弹性力学问题中的应用[A];第14届全国结构工程学术会议论文集(第一册)[C];2005年
3 庄晓莹;蔡永昌;朱合华;;基于有限元计算和全局优化算法的边坡稳定性分析[A];中国土木工程学会第十二届年会暨隧道及地下工程分会第十四届年会论文集[C];2006年
4 王海龙;江见鲸;;大型稀疏线性代数方程组的一种分块解法在有限元法中的应用[A];第七届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ卷)[C];1998年
5 李春雨;邹振祝;;受内压的功能梯度材料圆筒应力分析[A];第七届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ卷)[C];1998年
6 龙小武;高殿荣;王益群;;Visual Basic在液压计算流体力学中的应用[A];第一届全国流体动力及控制工程学术会议论文集[C];2000年
7 竹学叶;寿楠椿;万科峰;;东明黄河公路大桥刚构-连续组合体系徐变分析[A];第三届全国结构工程学术会议论文集(下)[C];1994年
8 孙好广;姚纪元;徐余;;刚性球散射声场的理论计算[A];中国造船工程学会2007年优秀学术论文集[C];2008年
9 尹纪富;江国和;;基于ANSYS和FLUENT软件的细线阵涡激振动研究[A];第十二届船舶水下噪声学术讨论会论文集[C];2009年
10 包家汉;潘紫微;朱立江;乔翠侠;;基于接触模型的100T转炉托圈热-机应力分析[A];第七届(2009)中国钢铁年会论文集(上)[C];2009年
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1 中科院计算所 罗杰文;P2P搜索技术研究与挑战[N];计算机世界;2006年
2 丁飞洋;奇虎再获融资 周鸿祎依旧梦系搜索[N];中国经营报;2006年
3 王书亭;CAE促机电产品研发创新[N];计算机世界;2006年
4 本报记者 陈磊;2008奥运,实现语言交流无障碍[N];科技日报;2006年
5 本报记者 冯海波;弃医从工 名扬学界[N];广东科技报;2011年
6 李陈续通讯员 杨保国;我科学家率先实现量子分解算法[N];光明日报;2007年
7 熊德意何中军 刘群;机器翻译渐行渐近[N];计算机世界;2007年
8 ;用户不满意企业搜索产品[N];网络世界;2008年
9 马晓龙;Google会是下一个Netscape吗?[N];中国电脑教育报;2003年
10 商报记者  王晓玥;Google改“谷歌”开始中国攻略[N];北京现代商报;2006年
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1 王吉;光滑粒子法与有限元的耦合算法及其在冲击动力学中的应用[D];中国科学技术大学;2006年
2 卞梁;高速碰撞中的SPH方法及其应用研究[D];中国科学技术大学;2009年
3 杨刚;光滑粒子法的改进及其若干典型应用[D];湖南大学;2010年
4 雷周;FEM与DEM耦合方法研究及在汽车玻璃冲击破坏问题中的应用[D];华南理工大学;2011年
5 赵少飞;复合加载条件下海洋地基承载力特性数值分析方法研究[D];大连理工大学;2006年
6 沈显峰;多组元金属粉末直接激光烧结过程数值模拟及烧结区域预测[D];四川大学;2005年
7 陈长冰;筒仓内散体侧压力沿仓壁分布研究[D];合肥工业大学;2006年
8 寇哲君;可扩展冲击—接触并行计算及其在汽车碰撞模拟中的应用[D];清华大学;2003年
9 李岩;大型电力变压器线圈电磁力和局部过热问题研究[D];沈阳工业大学;1995年
10 孙曦源;水平荷载作用下软土地基中桶形基础工作机理及承载性能研究[D];大连理工大学;2009年
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1 雷隽卿;平面粘弹性体热—湿应力有限元法及应用研究[D];中国农业大学;2000年
2 程坤;PCR-80冷辗扩机模态分析及整机刚度多目标优化[D];合肥工业大学;2005年
3 李新;电力变压器绕组中的涡流损耗及其温度场研究[D];河北工业大学;2005年
4 林倩;巨型框-筒结构的动力特性研究[D];广西大学;2005年
5 魏一凡;微型客车30°斜角碰撞及40%偏置碰撞抗撞性研究[D];吉林大学;2005年
6 艾林;不同器械和方法对磨牙根管预备前后的Micro-CT分析及牙体组织的生物力学研究[D];第四军医大学;2005年
7 刘书强;中厚板轧制过程数值模拟及工艺优化[D];山东科技大学;2005年
8 李焕强;浙江萧山逸恒电厂主厂房桩基设计的可靠性分析[D];成都理工大学;2005年
9 刘林广;小湾拱坝坝肩稳定及加固处理措施研究[D];四川大学;2005年
10 薛刚;弹性半空间含圆形孔洞凸起对SH波的散射[D];哈尔滨工程大学;2005年
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