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关于有限元网格优化分析各种不同算法
关于有限元网格优化分析各种不同算法
导读:有限元软件可以提供非常多的仿真选项来打;制系统建模和分析的复杂度,例如计算精度和计算时间,以此来满足大多数土程应用的不同需求,通过有限元方法和计算机辅助设计(Computer-Aided-Design,
简称CAD)的结合,能够使设计在投入实际生产前,进行设计、模拟、改进、再分析,从而使得设计更为合理。由本站硕士论文中心整理。
第1章绪论
11引言
有限元方法((FiniteElementMethod,简称FEM)[],它的一种特殊应用也常常.,;r}..扮:;产厂.一沂(FiniteElement
Analysis,简称FEA),是一种用于求解微分方程组或积分方程组数值解的数值技术。有限元方法基于完全消除微分方程,即将微分方程转化为代数方程组(稳定情形),或将偏微分方程(组)转换为常微分方程(组)的逼
近,这样可以用标准的数值技术(例如欧拉法[f2],龙格一库塔方法[[3]
等)求解。
有限元方法最早应用于土木工程和航空工程中求解复杂的弹性和结构分析问题。许多机械工程领域的企业在设计和开发产品时会使用有限元技术,诸如机械制造、材料加工、航空航天、生物力学、汽车工业等等。有限元软件可以针对许多特定领域进行应用,诸如热学、电磁学、流体学以及结构学等方向,在结构化仿真的过程中,有限元方法提供了对产品刚度和强度的可视化分析,并通过分析帮助设计师改进设计。
通过有限元分析技术,可以凭借可视化的方式,观察结构的弯曲与变形部分,并且显示出压力和位移的分布。有限元软件可以提供非常多的仿真选项来打;制系统建模和分析的复杂度,例如计算精度和计算时间,以此来满足大多数土程应用的不同需求,通过有限元方法和计算机辅助设计(Computer-Aided-Design,简称CAD)的结合,能够使设计在投入实际生产前,进行设计、模拟、改进、再分析,从而使得设计更为合理。
有限元方法是一个强大的工具,极大地提高和改进了许多工业应用的工程设计标准和设计方法。有限元方法减少了产品从概念设计到投入生产线的时间,这主要就是通过不断改进原型设计、测试、改进、重新设计这样迭代的过程来实现的。总体而言,有限元方法能够增加计算精
度、改进产品设计、更好的凸显了关键设计参数的作用、虚拟化原型(减少了硬件原型的数量)、更快和更经济的设计周期、提高产能与效率以及
增加企业的收入。
1.2有限元网格优化算法
在科学研究和工程设计中,使用非结构化的有限元己经非常普遍。不管采用什么有限元方法,模型的计算域必须先被分解为简单的几何单元。这种分解可以通过自动化的有限元网格生成工具来产生,不过所生成的网格难免会产生非常不理想或者扭曲的网格单元,并在求解过程中引起数值求解的困难,例如,当有限元网格中二面角过大的时候,有限元求解的离散误差会增加[[4],当二面角过小的时候,元素矩阵的条件值会增加[[5],导致求得的解在计算精度和计算复杂度上都不能达到要求。这个问题在三维模型上比二维模型更加明显,因为相比于三角形网格,四面体网格中网格质量较差或是扭曲的比例更高,于是,为了提高非结构化体网格的网格质量,人们提出了一系列的网格优化算法[[6],总体上可以将它们分为基于几何的网格优化算法和基于拓扑的网格优化算法两大类。
1.2.1基于几何的有限元网格优化算法
基于几何的网格优化算法,主要是指网格平滑算法及其推广算法(meshsmoothing,它主要通过重新调整网格点的坐标位置提高网格的质量,同时又不改变网格模型的拓扑关系。
最为常见的平滑算法是拉普拉斯平滑[f}l,它将平滑点移动到周围邻居顶点的重心,以此达到平滑顶点的效果。图1.1显示了在二维坐标系上进行拉普拉斯平滑。拉普拉斯平滑对于二维三角形网格的优化效果较好,但是对于三维四面体网格却不是很可靠。在三维空间中,四面体网格有时候在经过拉普拉斯平滑后会发生反转的情况,被平滑过的点可能会移出四面体。
在拉普拉斯平滑的基础上,人们提出了更好的基于数值优化的平滑方法fs_}ol0这些算法会定义一个平滑的目标方程,这个目标方程体现了一组网格的质量随着网格上节点移动时,网格质量的变化趋势。例
如,目标方程定义为邻接于一个顶点的所有四面体网格的质量平方和,然后使用数值优化的算法来把顶点移动到最佳位置。一般数值优化算法包括
最速下降法「”〕和牛顿迭代方法[2loFreitag,Jones和
Plassman}3]提出了一个更加复杂的非平滑优化方法,这使得优化一组网格中最
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