弹性力学问题的无网格方法

弹性薄板弯曲问题的无网格解法
刘伟;王辉
【期刊名称】《兰州理工大学学报》
【年(卷),期】2008(34)6
【摘要】基于弹性薄板的线性弯曲理论和重调和方程的一般解理论构造的基本解,建立无网格法求解薄板弯曲问题的数值计算格式.采用径向基函数近似表示横向分布荷载,获得问题的特解,而齐次解答由基本解的线性组合得到.将边界条件用于确定未知系数,获得可以数值求解的线性方程组.在均布荷载情况下,计算并给出四边简支矩形薄板弯曲解,和解析解进行比较,证明无网格方法的收敛性和计算精度.
【总页数】4页(P169-172)
【作者】刘伟;王辉
【作者单位】中原工学院,亚太国际学院,河南,郑州,450007;河南工业大学,土木建筑学院,河南,郑州,450052
【正文语种】中文
【中图分类】O343.6
【相关文献】
1.弹性薄板小挠度弯曲内力的DRM边界元解法 [J], 王文青;嵇醒
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君
5.薄板大挠度弯曲问题的DRM-MFS无网格方法 [J], 丁睿;张坤
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二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法马文涛【摘要】计算效率低的问题长期阻碍着无网格伽辽金法(element-free Galerkin method,EFGM)的深入发展.为了提高EFGM的计算速度,本文提出一种求解二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法.该方法在问题域内采用滑动最小二乘法(moving least square,MLS)近似、在域边界上采用线性插值建立位移场函数;基于广义梯度光滑算子得到两层嵌套光滑三角形背景网格上的光滑应变,根据广义光滑伽辽金弱形式建立系统离散方程.两层嵌套光滑三角形网格是由三角形背景网格本身以及四个等面积三角形子网格组成.为了提高方法的精度,由Richardson外推法确定两层光滑网格上的最优光滑应变.几个数值算例验证了该方法的精度和计算效率.数值结果表明,随着光滑积分网格数目的增加,光滑无网格伽辽金法的计算精度逐步接近EFGM的,但计算效率要远远高于EFGM的.另外,光滑无网格伽辽金法的边界条件可以像有限元那样直接施加.从计算精度和效率综合考虑,光滑无网格伽辽金法比EFGM具有更好的数值表现,具有十分广阔的发展空间.【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2018(050)005【总页数】10页(P1115-1124)【关键词】无网格法;光滑应变;两层嵌套光滑三角形网格;计算效率【作者】马文涛【作者单位】宁夏大学数学统计学院,银川750021【正文语种】中文【中图分类】O241;O343引言为了克服有限元法面临的网格生成、重构以及其他与网格有关的困难,Belytschko 等[1]于1994年提出了无网格Galerkin法(element-free Galerkinmethod,EFGM).基于散乱数据的灵活插值、任意阶的光滑形函数、超收敛的数值结果以及在断裂力学问题中的成功表现,使EFGM很快成为了计算力学和工程领域众多研究者关注的热点,同时也掀起了无网格方法研究的热潮.到目前为止,已提出几十种无网格方法,并在偏微分方程数值解、金属冲压成形、高速冲击、裂纹动态扩展、流固耦合和局部化等诸多领域取得令人满意的成果[2-7].尽管无网格法种类繁多,但极少有数值方法能同时兼顾EFGM的灵活性、高精度和稳定性.因此,EFGM 仍然具有十分重要的研究价值和地位.然而,历经二十多年的发展,EFGM还仅仅是实验室高精度结果的生成者,并没有像有限元那样真正成为解决复杂工程问题的参与者.阻挠EFGM深入发展的根本原因是EFGM的计算效率非常低,严重影响了其处理实际问题的能力.其他类型的无网格法,如重构核质点法(reproducing kernel particle method,RKPM)[3],无网格局部Petrove-Galerkin法(meshless local Petrove-Galerkin method,MLPG)[4,8]、径向点插值无网格法(radial point interpolation meshless method,RPIM)[9]和一些结合式的无网格法[10]等,也存在着同样的问题.众所周知,EFGM采用滑动最小二乘法(moving least square method,MLS)建立近似函数及其导数,涉及矩阵求逆,计算量很大.其次,EFGM的形函数不具有Kronecher delta性质,导致本质边界条件施加困难.虽然Lagrange乘子法、耦合法和罚函数等[2,5]都能解决EFGM边界条件施加的问题,但同时也会带来诸如引入附加变量、改变系统矩阵性质等一系列新的问题,导致计算复杂度和计算时间的增加.另外,EFGM生成的是非多项式形式的近似解,要想获得稳定和高精度的弱形式数值解需要在每个背景网格中采用高阶高斯积分.Duan等[11]研究表明对于弹性力学问题,每个三角形背景积分网格中至少需要16个积分点才能使EFGM达到2阶精度.相比有限元法,EFGM的计算量要大得多.如何提高EFGM的计算效率成为近年来无网格法研究的热点和难点问题.为了提高EFGM的计算效率,Bessel等[12]提出了节点积分方案,也就是仅在近似节点上计算积分.该方法是不稳定的,在一些问题中会出现虚假的近奇异模态.Chen等[13-14]利用应变光滑技术,根据线性分片实验推导出Galerkin无网格法对应的积分约束,提出了稳定一致节点积分(stabilized conforming nodal integration,SCNI).SCNI很好地继承了节点积分的优势,同时完全避免了形成整体刚度矩阵时复杂形函数导数的计算过程.另外,SCNI能保证线性精度,而与无网格离散模式无关.为了弱化场函数近似的一致性要求,Liu及其团队[15-16]推广了应变光滑技术,提出了G空间理论和广义光滑Galerkin(GS-Galerkin)弱形式,建立了两类光滑数值方法的(weakened weak,W2)理论基础.这两类方法分别称为光滑有限元法(smoothed finite element method,S-FEM)和光滑点插值法(smoothed point interpolation method,S-PIM).S-FEM[17-20]的基本思想是:在有限元网格上创建的光滑区域内光滑化场函数导数,进而获得比传统有限元“更软”的光滑刚度矩阵,提高解的精度和收敛性.由于不需要计算形函数导数,避免了等参映射过程,因此S-FEM对畸形网格具有极强的适应性.S-PIM与S-FEM的基本原理相同,不同之处在于S-PIM使用多项式或径向基函数建立节点形函数.Liu[21]指出,S-FEM仅仅是S-PIM的特殊形式.Cui等[22]将MLS与GSGalerkin弱形式结合,提出了光滑伽辽金法.但与Galerkin无网格法相比,其计算精度较低.杜超凡等[23]采用S-PIM分析了旋转柔性梁的频率,得到固有频率的下界值.Liu等[24]在传统数值流形方法中引入光滑应变,改善其计算精度.Duan等[25-27]将SCNI中的线性积分约束推广到二阶情况,提出了二阶一致节点积分(quadratially consistent nodalintegration,QCI).QCI满足二阶精度,但为了求解形函数导数,必须在每个光滑区域内额外求解2个3×3的代数方程,计算代价并不小.Wang等[28]将三角形背景网格划分为两水平嵌套光滑区域,利用梯度光滑技术和Richardson外推法,提出了嵌套子域梯度光滑积分(NSGSI)算法.NSGSI算法将SCNI的精度提高到二阶.与高斯积分相比,NSGSI仅需要6个积分点,极大地提高了计算效率.为了得到二阶精度的数值算法,NSGSI必须使边界积分、外力项积分与刚度积分保持一致.显然,NSGSI的一致性要求大大降低了方法的灵活性.本文目的是提出一种能精确、高效地求解弹性力学问题的光滑无网格Galerkin法.基本思想是利用MLS近似位移场函数,在两层嵌套光滑子域上计算最优光滑应变,基于GS-Galerkin弱形式推导系统方程.两层嵌套网格由三角形背景积分网格以及连接三角形网格的三条边中点组成的4个三角形子网格构成.利用Richardson外推法,得到两层网格下对应的最优光滑应变.另外,为了通过线性分片试验条件,GS-Galerkin弱式要求在所有的边界上(包括自然边界和本质边界上)采用线性插值建立近似函数.因此,边界条件可以像有限元方法那样直接施加.1 MLS形函数在EFGM中,MLS方法被用于建立无网格形函数,具体形式为其中N(x)=pT(x)A−1(x)B(x)是MLS形函数;n是支持域内的节点数目;u=[u1u2L un]T为名义节点值向量,pT(x)为基函数向量,通常对于连续问题对于线弹性断裂问题其中(r,θ)为裂尖极坐标系下定义的位置参数.其他矩阵的定义分别为其中wI(x)=w(x−xI)为权函数,本文中使用3次样条权函数.2 系统离散方程2.1 光滑应变广义梯度光滑算子[13]作用于协调应变ε(x)其中为节点xc处的光滑应变,Φ为光滑函数,满足∫ΩcΦ(x;x−xc)dΩ =1. 简单起见,取其中为光滑区域Ωc的面积.将式(8)代入式(7),有其中nx和ny分别为光滑区域边界Γc上的单位外法线沿坐标轴方向的分量;u和v 分别为沿坐标轴方向的位移分量.将方程(1)代入方程(9),则光滑应变为其中称为光滑应变矩阵,具体形式为其中2.2 系统离散方程考虑二维线弹性固体力学问题,问题区域Ω内受体力b作用,边界Γt上受给定外力t 作用,边界Γu上满足u=.用光滑应变代替协调应变ε,得到GS-Galerkin弱式为将方程(1)和(10)代入方程(13)得其中为光滑刚度矩阵,由所有光滑区域组装得到.具体形式为式中,nsc为光滑区域总数.2.3 施加边界条件由以上推导可以看出,光滑应变运算不涉及任何形函数导数计算.因此,问题域内近似函数的不连续性并不会给光滑应变的计算带来任何困难.与标准Galerkin弱形式相比,形函数的一致性要求大大降低了.因此,在光滑无网格Galerkin法中,问题域内的点和边界上的点往往可以采用不同的近似形式.对于任何在问题域内的计算点均采用无网格近似函数;而对于任何在问题域边界上的计算点则采用线性插值函数.在边界上引入线性插值函数的目的是使光滑无网格法能够顺利通过线性分片试验,同时也使边界条件的施加变得和在有限元中一样容易.3 两层嵌套光滑积分网格为了计算光滑应变,光滑区域的选择至关重要.Liu等[21]基于背景积分网格本身、网格边界和网格顶点依次建立了不同类型的S-PIM.很显然,将背景三角形积分网格作为光滑区域是最简单、最直接的,不需要任何的附加工作.根据式(12)和Liu等[21]的研究结论,光滑区域内的光滑应变是个常数,导致了网格型光滑无网格法仅能达到线性精度,也就是说与传统三角形有限元法的精度相当.为了提高计算精度,进一步细分三角网格是非常有必要的.然而,细分过多的光滑子网格又会大大降低光滑无网格法计算效率.因此,寻找到最优的光滑网格细分方案是发展高效和高精度光滑无网格法的关键.本文提出两层嵌套光滑区域解决背景网格细分的问题.首先将问题域Ω离散为三角形背景积分网格.每个三角形网格称为父网格(见图1(a)).然后依次连结父网格的3条边的中点,形成4个等面积的子网格,如图1(b)所示.在每个光滑子网格边界上取一个高斯积分点,则根据方程(12),图1(a)所示的父网格对应的光滑应变矩阵为其中lJ和xJ分别是第J条边的边长和高斯积分点(即边界中点),nxJ和nyJ分别是第J条边单位外法线分别沿x,y方向的分量.组装所有父网格的光滑刚度矩阵可得由方程(17),可以很容易计算第m个子网格对应的光滑应变矩阵为其中Acm=Ac/4.组装所有子网格的光滑刚度矩阵为由图1可知每个光滑子网格的特征长度减小为父网格特征长度的一半,根据经典的Richardson外推法理论[28-29],方程(18)和(20)的最优线性组合可以生成更高精度的解.方程(21)是在同时考虑粗和细两种网格的基础上建立的,因此称为二层嵌套光滑区域.图1 两层嵌套三角形光滑网格(•场节点, 积分点,_高斯点Fig.1 Two-level nesting triangular smoothing cells(•node, grad e point,_Gauss point)在编程计算式(18)和式(20)的过程中,由于每个光滑积分区域的边界上采用1个积分点(线段中点)时,该点处的形函数值正好可以用线段两端点的形函数值的平均值表达.这样的话,每个三角形背景网格中需要3个顶点和3个线段中点,总共6个积分点即可.4 数值算例为了研究本文方法的精度,L2范数下的位移误差和能量误差分别定义为式(22)、式(23)中,ue,un分别代表位移精确解和数值解;εe,εn分别代表应变精确解和数值解.为了书写的方便,使用父网格(1个网格)、4个子网格以及嵌套网格(1个网格及其4个子网格)的3种光滑Galerkin无网格法分别简记为FSMM,SSMM和NSMM.EFGM采用拉格朗日乘子法施加位移边界条件.笔者根据Duan等[11]的研究结论,在EFGM的每个三角形背景积分网格中采用16个高斯积分点.上述4种方法,在悬臂梁、无限大开孔平板和双连拱隧道算例中均使用线性基函数(见式(2)),在含中心裂纹的无限大板算例中则使用内部扩展基函数(见式(3)).4种方法都在同一台电脑(处理器:Intel(R)Core(TM)*******************)上采用matlab语言编程实现.4.1 悬臂梁如图2所示,悬臂梁左侧固定,右侧受剪切作用.在平面应力条件下,解析解[30]为图2 悬臂梁Fig.2 The cantilever beam其中 I=D3/12.梁的材料参数取为E=3×107MPa,v=0.3,P=1000 N.在梁上分别布置17×5,33×9和65×17个节点.图3比较了3种节点分布下5种方法求解悬臂梁问题时的位移误差.可以看出,FSMM与传统三角形FEM的精度几乎一致;SSMM的精度要高于FSMM的;而NSMM与EFGM的计算精度几乎一致,且远远高于其他3种方法.图3 悬臂梁问题的位移误差比较Fig.3 Displacement error comparison for the cantilever beam problem图4则给出了5种方法的能量误差比较.从图4可以看出,无网格法的精度都要高于FEM的,NSMM比FSMM和TSMM的精度高;虽然EFGM的精度高于3种光滑无网格Galerkin法的,但其收敛率却最低.这些结论很好地证明了随着光滑区域的增加,积分点的个数也随之增加,光滑无网格Galerkin法的计算精度会逐步升高.图4 悬臂梁问题的能量误差比较Fig.4 Energy error comparison for the cantilever beam problem图5给出了5种方法的CPU时间比较.可以看出,在节点分布相同时,FSMM的计算耗时比FEM略长;NSMM与SSMM的计算耗时相当,比FSMM的要长,但要远远短于EFGM的.从精度和效率两个方面综合考虑,NSMM是5种方法中表现最好的. 图5 悬臂梁问题的CPU时间比较Fig.5 CPU time comparison for the cantilever beam problem4.2 无限大开孔平板设一无限大平板,中心开有半径为a的圆孔,在远离孔心的位置沿水平方向受σ0=1 Pa的轴向拉伸作用.该问题的解析解[30]为其中,r,θ为以孔心为原点的极坐标考虑对称性,仅取平板右上角四分之一进行数值计算,见图6.设板长、宽均为b=5 cm,圆孔半径a=1 cm,弹性模量E=30 MPa,泊松比v=0.3.在底部和左侧边界上分别给定位移边界条件uy(x,0)=0和ux(0,y)=0;在板右端(x=b)和上部(y=b)边界按精确解施加自然边界条件.在平板模型上分别布置9×9,17×17和33×33个节点.图7∼图9分别给出了3种节点分布下不同方法对应的位移误差、能量误差和花费的CPU时间.从图7∼图8可以看出,本文提出的NSMM的精度与EFGM的基本相同的,要高于其他几种方法.图9再次证明了NSMM的效率要远远高于EFGM.图6 无限大开孔平板模型Fig.6 Model of the infinite plate with a circle hole图7 无限大开孔平板问题的位移误差比较Fig.7 Displacement error comparison for the problem of the infinite plate with a circle hole图8 无限大开孔平板问题的能量误差比较Fig.8 Energy error comparison for the problem of the infinite plate with a circle hole图9 开孔平板问题的CPU时间比较Fig.9 CPU time comparison for the problem of the infinite plate with a circle hole4.3 含中心裂纹的无限大板考虑一无限大板,中心包含一长度为2a的直裂纹,在远端受单向拉应力σ作用,见图10.计算过程中,计算区域ABCD取为10 mm×10 mm,a=100 mm;E=300 MPa,v=0.3,σ =1 MPa;在计算区域内均匀分布20×20个节点.分别采用EFGM,FSMM,SSMM和NSSM求解该问题.图11为4种方法计算得到的裂纹前端应力与精确解[31]的比较.可以看出,FSMM,SSMM和NSSM的应力曲线呈现依次逼近解析解的特征,说明随着光滑区域数量的增加,光滑Galerkin无网格法的精度也随之提高;NSMM和EFGM的计算结果与解析解吻合得非常好.图10 含中心裂纹的无限大板的几何结构和载荷Fig.10 Geometry and loads of infinite plate with a center crack图11 裂纹前端(r>0,θ=0)应力比较Fig.11 Stresses comparison ahead of the crack tip(r>0,θ=0)for the near-tip crack4.4 双连拱隧道设有一双连拱形隧道,基本结构如图12所示.分别采用本文方法(NSMM)和EFGM,按照平面应变假设分析隧道围岩和衬砌在自重作用下的变形和应力分布.计算过程中,围岩及混凝土力学参数见表1;三角形背景网格划分见图13.将单元角点作为节点,共5145个背景单元,2729个节点.根据对称性,模型左侧边界上各点处x方向固定,y 方向自由,而在下边界上各点x方向自由,y方向固定.图12 双连拱隧道结构Fig.12 The structure sketch of twin-arched tunnel表1 材料参数性能Table 1 Parameters of material propertyMaterial typeE/GPa v Bulk density/(kN ·m−3)III type surrounding rock 2 0.25 22 surrounding rock of reinforced area 2.6 0.2 23 lining(C25) 28.5 0.2 25 shotcrete(C25) 28.5 0.2 23 backfilling concrete(C10) 18.5 0.2 22图13 三角形背景网格和边界条件Fig.13 Triangular background mesh and boundary conditions图14 第一主应力图Fig.14 The first principal stress图15 第二主应力Fig.15 The second principal stress图14和图15分别给出了由NSMM的计算结果绘制的第一、第二主应力云图.由图14可以看出,拱圈顶部附近、仰拱拱底附近、边墙和中墙基础底部都出现了较大的拉应力.从图15可以看出,几个形状突变较为明显的区域,由于应力集中导致了较大压应力的出现.图14和图15的结论与文献[32]的结论是一致的.NSMM与EFGM的计算结果十分接近,但EFGM的CPU用时为197.48 s,而本文方法仅为35.44 s,进一步说明本文方法具有极高的计算效率.5 结论EFGM是一种十分重要的无网格数值方法,但其计算效率低的问题长期困扰着研究工作者.本文基于广义梯度光滑技术,提出了光滑无网格Galerkin法,试图解决这一难题.本文方法的基本思想是利用MLS近似位移场函数,在两层嵌套光滑子域上计算最优光滑应变,基于GS-Galerkin弱形式推导了系统方程.两层嵌套网格由三角形背景积分网格以及连接三角形网格的3条边中点组成的4个三角形子网格构成.利用Richardson外推法,得到两层网格下对应的最优光滑应变.几个数值算例验证了本文方法的精度和计算效率.从这些数值结果可以看出,本文方法具有以下优势: (1)计算效率高.本文方法充分利用了光滑梯度技术,将区域积分转化为区域边界积分,完全避免了形成整体刚度矩阵时复杂形函数导数计算.因此,极大地提高了的计算效率.数值结果表明,在节点分布相同的情况下,NSMM比EFGM花费的计算时间要少的多.(2)计算精度高.FSMM类似SCNI,仅有线性精度:SSMM将FSMM的光滑区域细分为4个子区域,相当于引入了更多的积分取样点,因此SSMM比FSMM的精度更高:Richardson外推法又从理论上保证NSMM比FSMM和SSMM二者的精度更高.4个数值算例证明了NSMM具有几乎和EFGM相同的计算精度.(3)易于施加边界条件.本文方法在实现过程中,域内计算点采用MLS近似,而在域边界上的计算点则采用线性插值.一方面,本文方法可以自然满足线性分片试验;另一方面,边界条件的施加过程就和FEM一样了.这样,无网格边界条件施加困难的问题也就迎刃而解了.综上所述,本文提出的光滑Galerkin无网格法,既保持了无网格法的精度高的优势,又极大地减少了计算用时,同时也解决了施加边界条件的难题,具有十分广阔的发展空间.将本文方法进一步推广到结构动力学分析、大变形分析以及裂纹动态扩展等问题将是未来的研究方向.参考文献【相关文献】1 Belytschko T,Lu YY,Gu L.Element-free Galerkin methods.International Journal for Numerical Methods in Engineering,1994,37:229-2562 Belytschko T,Kronggauz Y,Organ D,et al.Meshless methods:An overview and recent putational Methods in Applied Mechanics and Engineering,1996,139:3-473 Liu WK,Jun S,Zhang YF.Reproducing kernel particle methods.International Journal for Numerical Methods in Fluids,1995,20:1081-11064 Atluri SN,Shen SP.The Meshless Local 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山东大学硕士学位论文无网格伽辽金方法在线弹性断裂力学中的应用研究摘要（在处理裂纹扩展这类动态不连续性问题时，传统的计算方法如有限元法、＼有限差分法等常需要网格重构。

这样不仅增加了计算工作量，而且会使计算精度严重受损。

无网格方法中，由于采用基于点的近似，网格可以彻底或部分地、消除，因此可以完全抛开网格重构，从而保证了计算精度广本文在系统分析了前人所做工作的基础上，对无网格伽辽金方法（ＥＦＧＭ）做了部分改进，并用算例对其正确性和有效性进行了验证。

本文中主要的研究成果和结论有：／基于移动最小二乘近似的ＥＦＧＭ是目前应用最广泛的无网格方法，由于移动＼最小二乘形函数一般不具有常规有限元形函数所具有的插值特性，即ＥＦＧＭ的近＼，似函数不通过节点变量，本质边界条件的处理成为ＥＦＧＭ实旖中的一个难点可本文在处理本质边界条件时，采用了再生核质点方法中的完全变换法，实现了本质边界条件在节点处的精确施加。

权函数的使用是ＥＦＧＭ和其它无网格方法的精华所在，本文采用了一种基于ｔ一分布的新型权函数，在一定程度上提高了ＥＦＧＭ的计算精度。

ｒ／影响半径大小的取值对最终的场函数近似解或其导数有较大影响，传统方＼｜法是在整个求解域内使用统一的影响半径。

、ｊ本文针对裂纹扩展中的实际情况，√对动态影响半径法作了进一步的补充和改进。

即在均匀分布节点区域，采用与基函数相对应的规定节点数来确定影响半径的大小；而在局部加密节点邻域，根据节点加密情况，相应地增加确定影响半径所需的节点数。

本文分别计算了单一型和复合型裂纹的应力强度因子，计算结果表明使用部分扩展基函数不仅能获得较高的计算精度，而且积分围线对它的计算结果影第１页山东大学硕士学位论文响较小，计算稳定性好。

用ＥＦＧＭ模拟了拉剪复合型裂纹的扩展行为，由于避免了有限元方法中网格重构的繁琐，大大简化了裂纹扩展的模拟工作。

，计算结果证明本文模拟的裂纹扩展轨迹与前人的研究结果符合得较好。

通过本课题的研究工作，进一步发展和完善了ＥＦＧＭ，为其在断裂力学问题以及其它结构计算问题中的应用奠定了良好的理论基础；此外，也为进一步研究复杂的断裂问题，如弹塑性材料的裂纹扩展问题、三维裂纹扩展问题、动态裂纹扩展问题以及界面断裂力学问题等做了一些有益的基础准备。

摘要弹塑性问题的无网格方法及其应用研究学科：结构工程导师：李九红签名：_____________作者：任瑞瑞签名：_____________答辩日期：2006年3月摘要目前正在发展中的无网格方法采用基于点的近似，可以彻底或部分的消除网格，是目前科学和工程计算方法研究的热点,也是科学和工程发展的趋势。

国内外诸多学者对无网格伽辽金法进行了大量的研究，并将其应用到相关领域，取得了许多成果，但大部分都是关于求解弹性力学问题的。

事实上，工程实践中理想的弹性问题几乎不存在。

一般情况下，进行弹塑性分析将会更合理，更充分地利用结构的强度潜力。

因此，使用无网格伽辽金法来求解弹塑性力学问题具有重要的实际意义。

本文系统地介绍了无网格方法的发展历史和应用现状，并且分析了该方法的优点和现存问题；在各种无网格方法中，本文着重介绍了基于移动最小二乘法的无网格伽辽金法的基本原理和推导过程。

针对工程中常见的弹塑性问题，本文基于对弹塑性力学理论的理解，推导了无网格伽辽金法求解弹塑性问题的理论公式；在此基础上，本文编制了求解弹塑性力学平面问题的无网格Galerkin法计算程序，通过若干典型算例的计算结果与ANSYS 分析结果的对比，验证了所提出的理论方法和所编程序的可行性、正确性，并且计算结果精度较高。

对弹塑性力学问题的无网格伽辽金法，本文分别讨论了权函数、基函数、节点布置规则、节点影响域的大小和增量形式的迭代次数等因素对计算精度的影响，并提出了相应的建议以获得最佳的求解精度；在弹塑性问题的诸多解法中，本文采用修正的Newton-Raphson迭代法，有效地减少了计算工作量，收敛快，并且保证了解的高精度；对于体积近似不可压缩的物体，本文采用弹塑性力学的无网格伽辽金法进行计算，算例结果表明了该方法所具有的可消除体积闭锁的优点。

针对不同的材料，本文编制了弹塑性力学平面问题无网格方法的通用程序，将I西安理工大学硕士学位论文弹塑性问题的无网格方法应用到了结构工程中常用的岩石、土和混凝土类材料中，并分别根据常用的几种屈服准则进行计算，通过算例分析及结果对比，验证了应用弹塑性力学问题的无网格方法来解决非均质材料是完全可行的。

三维弹性静力问题的无网格局部Petrov-Galerkin法是一种有效的数值解决方案，用于在单元空间内解决三维弹性静力问题。

它是基于Petrov-Galerkin方法，但采用了局部网格技术和分数阶自适应插值，以实现高效的计算。

该方法的主要优点在于，它可以有效地改善单元空间内的精确度，而不是重新网格化，因此可以有效地减少计算时间。

在该方法中，单元空间内的网格结构是采用局部技术构建的。

它采用基于空间位置的自适应插值，以便更加精确地描述单元空间内的变形状态。

此外，采用分数阶自适应插值可以有效地减少计算量，提高计算效率。

在使用该方法解决弹性静力问题时，首先需要建立有限元模型。

接下来，用户需要指定有限元模型的边界条件，其次，构建系数矩阵和右端项向量，以及计算质量矩阵。

在建立矩阵和向量后，用户可以使用局部Petrov-Galerkin法求解有限元问题，并获得有限元模型的解析解。

总之，三维弹性静力问题的无网格局部Petrov-Galerkin法是一种有效的数值解决方案，它可以有效提高计算精度，减少计算时间，从而使弹性静力问题的求解更加高效。

二、利用伽辽金无网格法实现悬臂梁弯曲问题算例描述：悬臂梁自由度受集中力作用如图1所示，编写2D FEGM 程序计算位移、应变、应力。

梁的尺寸：L = 42m , D = 12m , 厚度默认为1m ; 弹性常数：E = 30M Pa, ν = 0.3;不考虑梁的自重，在自由端施加的集中载荷为P = -1000 N ;图1自由端受集中力作用的悬臂梁弹性力学解析解x 方向位移：22(,)[(63)(2)(+)(]642Py D D u x y L x x y D y EI ν=--++-+ y 方向位移：222(,)[3()(45)(3)]64P D x v x y y L x L x x EI νν=-+++- 梁截面的法向应力：()(,)xx P L x yx y Iσ-=- y 方向正应力：0yy σ= 梁截面剪应力：22(,)()24xy P D x y y I τ=-应变能：1 4.452TE D d εεΩ=Ω≈⎰ 1、 节点间距收敛性分析为研究节点间距对计算结果的影响，考虑如下5种等间距节点分布情况： 3X3(轴向X 竖向)、6X3、11X3、11X5、11X7。

依次增加轴向和竖向的节点数，考察应变能残量和悬臂梁中心轴y=0的计算位移的收敛性，以及某一梁截面(x=23.667)的计算应力收敛性。

此部分程序与相应结果见附录1。

不同节点网格数目对能量误差范数的影响不同节点数目计算得到中心轴y=0的梁的位移与解析解比较010203040506070800.10.20.30.40.50.60.70.80.9场节点数目能量误差范数5101520253035404550-3x位移不同节点数目计算得到x=23.667的截面法向应力与解析解比较不同节点数目计算得到x=23.667的截面剪应力与解析解比较从上述结果可以发现，随着节点数的增加，FEGM 计算收敛于解析解。

考虑应变能和位移以及应力的收敛性可以发现，节点数从3X3增加至6X3，应变能残量迅-6-4-20246-1500-1000-50050010001500ys t r e s s (x x )-6-4-20246-140-120-100-80-60-40-200204060ys t r e s s (x y)速减小，中心轴位移迅速向解析解逼近，截面正应力始终非常接近于解析解，而截面剪应力则不然，虽然有向解析解逼近的趋势，但是与解析解相距仍甚远。