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研究生: 陳俊民
Chun-Min Chen
論文名稱: 元素釋放法在材料界面之處理
Treatment of materical discontinuity in the Element-Free Method
指導教授: 盛若磐
Jopan Sheng
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
畢業學年度: 89
語文別: 中文
論文頁數: 108
中文關鍵詞: 形狀函數走時元素釋放法權值曲線
外文關鍵詞: shape function, traveltime, EFM, weighting cuve
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  • 元素釋放法主要是利用移動式最小平方內插的觀念,來建構形狀函數(shape function)。對於相異材料解在界面上為一平滑解(smooth solution),並且於界面周圍會產生跳動現象(Gibb’s phenomenon),因此所得的數值解精度較差。目前元素釋放法在處理不連續材料界面之主要方法有二:1.節點搜尋經過特別的修正,於界面上施加界面乘子(Lagrange multipliers)。2. Krongauz和Belytschko於1998年提出在界面上,加上特別的跳躍函數(special jump function),以及給予強度(strength)的參數。
    本論文則考慮利用波傳的概念,來處理相異材料界面上節點之選取;利用波傳的觀念,建立一不同於跳躍函數而具有其物理意義的形狀函數。方法有二:
    1.波傳之方法僅應用於界面:於界面上利用波傳的觀念,配合節點搜尋的修正。在界面上利用Snell定理推導權值分佈,使界面上為一緊密區間。利用此方法我們可避免界面乘子的施加,減少前處理的時間,不需擴增矩陣即可得到不錯的結果。
    2.將波傳應用於整個定義域:考慮將整個定義域以波傳的歷時觀念,進行搜尋整體節點的動作,不同的材料節點彼此會互相影響。以歷時為參數,建立不同的權值曲線,利用不同的權值分佈,使不同的材料具有不同的形狀函數。利用此方法,我們不需在界面上施加節點,經由適當的節點編排,一樣可以得到不錯的結果。


    The EFM utilized “moving-least-sqares” (MLS) interpolants to construct the shape function. So that partial derivatives of the approximations, such as strains in the problem are smooth. But smooth solutions then exhibit the well-know Gibb’s phenomenon at the line(or surface) of the discontinuity and the accuracy is poor. Therefore, in the present EFM, we have two methods to deal with material’s interfaces. 1.At the interfaces, We use different methods to search the nodes and add Lagrangian multipliers.2.The technique enriches the approximation by adding special jump shape function at the line of discontinuity with parameters that govern its strength.
    In this paper, we try to use another method, utilize the concept of waves to deal with the line of discontinuity, utilize the concept of wave’s traveltime to construct the different shape-function in different materials.
    1. The snell’s law was only applied in the line of discontinuity: At the interface, we utilize the concept of waves combine with the modification node’s search .We use snell’s law to decide the weighting .
    2. The concept of wave’s traveltime was applied in all domain : No matter the nodes in what materials, the node will be influence each other. We use traveltime as parameter to construction different weighting curves and use different weighting distribution to construction different shape-functions in different materials. Use this method, we don’t need adding nodes in the interface. Through us arrange nodes appropriately, we also can obtain good solve.

    中文摘要I 英文摘要II 目錄III 圖目錄VII 表目錄X 第一章 緒論1 1-1 前言1 1-2 研究動機與目的3 1-3 論文內容6 第二章 文獻回顧8 2-1 移動式最小平方法(Moving Least-Squares Interpolant)8 2-2 元素釋放法的發展過程9 2-2.1 擴散元素法(Diffuse Element Method, DEM)9 2-2.2 元素釋放法(Element Free Galerkin Method, EFGM)9 2-3 不連續材料分析的發展10 2-4 波線傳遞理論11 2-4.1波動的基本概念11 2-4.2 Snell定理13 2-4.3線性走時內差法(Linear Traveltime Interpolation method)14 2-4.3.1線性走時內差(LTI)法16 2-4.3.2線性走時內差法之基本觀念16 2-4.4利用極值理論推導19 第三章 元素釋放法之基本理論21 3-1 移動式最小平方內插法之應用21 3-1.1 一致性(Consistency)檢驗24 3-1.2 形狀函數(Shape function)之性質25 3-2 加權函數(Weighting function)之選擇25 3-3 選取節點之原則27 3-4 修正變分原理29 3-4.1最小勢能原理(principle of minimum potential energy)30 3-4.2勁度矩陣之離散處理31 第四章 波傳理論在元素釋放法之應用37 4-1 波傳對不連續材料影響圓之修正37 4-2節點分布型態及計算方式43 4-2.1 S點和同一材料之R點位於同一材料之計算方式44 4-2.2 S點和R點位於界面之不同材料44 4-2.3 沿界面傳播之最短路徑46 4-2.4波源或接收點位於界面上47 4-3加權函數48 4-4 波傳之應用方法52 4-4.1波傳之方法僅應用於界面(方法一)52 4-4.2將波傳應用於整個定義域(方法二)55 4-5程式分析流程59 第五章 數值算例61 5-1誤差的評估61 5-2 波傳僅用於界面63 5-2.1 偏心拉桿問題63 5-2.2非均質桿單軸拉伸變形分析65 5-3 波傳用於整個定義域71 5-3.1 偏心拉桿問題71 5-3.2非均質桿單軸拉伸變形分析72 5-3.2.1界面節點使用最大波速(界面編排節點)72 5-3.2.2界面節點為最大波速(界面無編排節點)76 5-3.2.3界面節點波速依材料性質區分(界面編排節點)77 5-3.2.4界面節點波速依材料性質區分(界面不編排節點)79 5-4各種方法誤差之比較81 5-4.1位移誤差之比較81 5-4.2應力誤差之比較82 5-4.3應變誤差之比較82 5-4.4能量誤差之比較83 5-4.5 Gibb’s 現象之比較83 第六章 結論與建議86 6-1結論86 6-2建議87 附錄90 圖目錄 圖1-1 方法一複合材料體節點搜尋示意圖5 圖1-2 方法二複合材料體節點搜尋示意圖5 圖2-1等高線圖中待求點與資料點之關係8 圖2-2 波經過界面產生折射之推導13 圖2-3 惠更斯原理示意圖15 圖2-4 子波源僅在邊界發生的情形15 圖2-5 波經過界面產生轉折之情形17 圖3-1 指數權重函數曲線分佈圖27 圖3-2 積分點與其鄰域節點間位置示意圖29 圖3-3 彈性體靜力平衡示意圖30 圖4-1 均質材料體節點搜尋示意圖37 圖4-2 非均質材料體節點搜尋示意圖38 圖4-3 波源於密介質之歷時曲線示意圖41 圖4-4 波源於疏介質之歷時曲線示意圖41 圖4-5 節點在界面上之歷時曲線示意圖42 圖4-6 節點搜尋分配圖44 圖4-7 產生全反射之路徑圖47 圖4-8a波速由快至慢所形成的權值分布49 圖4-8b波速由快至慢所形成的權值分布3D49 圖4-9a波速慢至波速快所形成的權值分布50 圖4-9b波速快至波速慢所形成的權值分布3D50 圖4-10a節點位於界面di/c=0所形成的權值分布51 圖4-10b節點位於界面x=0所形成的權值分布 3D51 圖4-11經切割後材料一節點之形狀函數,界面x=153 圖4-12經切割後材料二節點之形狀函數,界面x=153 圖4-13兩材料形狀函數之比較54 圖4-14形狀函數對y微分54 圖4-15跳躍函數之形狀函數之值及其微分值55 圖4-16a 形狀函數在界面上,x=156 圖4-16b 形狀函數在界面上,x=157 圖4-17a形狀函數對x微分58 圖4-17b 形狀函數在界面上2D,x=158 圖4-17c 形狀函數在界面上之一次微分2D,x=059 圖4-18 形狀函數在界面上之一次微分,x=159 圖5-1 偏心拉桿之物理模型63 圖5-2 偏心拉桿問題之積分網格模型63 圖5-3 節點在受拉端附近漸密之分佈64 圖5-4 偏心拉桿於漸密節點分佈時之剪應力分佈圖65 圖5-5 非均質桿拉伸變形問題之物理模型66 圖5-6 桿拉伸變形問題之積分網格模型66 圖5-7 桿拉伸變形問題之節點分佈情形67 圖5-8 處沿 軸之位移分佈圖(10 cells)67 圖5-9 處沿 軸之位移分佈圖(40 cells)68 圖5-10 處沿 軸之應力分佈圖(10 cells)68 圖5-11 處沿 軸之應力分佈圖(40 cells)69 圖5-12 處沿 軸之應變分佈圖(10 cells)69 圖5-13 處沿 軸之應變分佈圖(40 cells)70 圖5-14 偏心拉桿於漸密節點分佈時之剪應力分佈圖71 圖5-15 處沿 軸之位移分佈圖(10 cells)72 圖5-16 處沿 軸之位移分佈圖(40 cells)73 圖5-17 處沿 軸之應力分佈圖(10 cells)73 圖5-18 處沿 軸之應力分佈圖(40 cells)74 圖5-19 處沿 軸之應變分佈圖(10 cells)74 圖5-20 處沿 軸之應變分佈圖(40 cells)75 圖5-21 桿拉伸變形問題之節點分佈情形界面不撒點76 圖5-22 方法三複合材料體節點搜尋示意圖77 圖5-23 處沿 軸之位移分佈圖(40 cells)界面編排節點77 圖5-24 處沿 軸之應力分佈圖(40 cells)界面編排節點78 圖5-25 處沿 軸之應變分佈圖(40 cells)界面編排節點78 圖5-26 處沿 軸之位移分佈圖(40 cells)界面不編排節點79 圖5-27 處沿 軸之應力分佈圖(40 cells)界面不編排節點79 圖5-28 處沿 軸之應變分佈圖(40 cells)界面不編排節點80 圖5-29不同方法與節點數之位移誤差比較81 圖5-30不同方法與節點數之應力誤差比較82 圖5-31不同方法與節點數之應變誤差比較82 圖5-32不同方法與節點數之能量誤差比較83 圖5-33 不同方法Gibb’s現象之比較84 圖5-34 處沿 軸之應力分佈圖85 圖5-35 處沿 軸之應變分佈圖85 表目錄 表5-1 不同節點分佈之應力誤差比較65 表5-2 不同網格精細與節點數之誤差比較70 表5-3 界面撒點不同網格精細與節點數之誤差比較75 表5-4 不同網格精細與節點數之誤差比較界面不撒點76 表5-5 不同節點佈設方式與節點數之誤差比較80 表5-6 不同方法之誤差比較84

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