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研究生: 王毓鵑
Yu-chuan Wang
論文名稱: 應用克利金內插於無元素法與耦合有限元素法分析之研究
A Study on Using Kriging Interpolant in Meshfree Methods and its Coupling with Finite Element Methods
指導教授: 謝佑明
Yo-ming Hsieh
口試委員: 陳鴻銘
Hung-Ming Chen
廖國偉
Kuo-Wei Liao
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 116
中文關鍵詞: 克利金內插無元素法有限元素法耦合力學分析
外文關鍵詞: Kriging method, interpolate, meshfree, FEM, coupling, solid mechanics
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  • 無元素法是用來解決偏微分方程式的一種新興數值方法,且已成功地應用在不同的領域上。無元素法中常用的形狀函數包括了移動最小二乘法(MLS),、點插值法(PIM)、再生核近似法(RKPM)、徑向基底法(RPIM)等。克利金法為地理統計上常使用的內插方法,但很少被應用於無元素法的分析。
    本研究實現並評估各種不同組合的克利金法與半變異圖於無元素法並用來解算固體力學問題。透過這些評估,克利金法於無元素分析時之可用性與可能發生的問題可以被瞭解與探討。
    除了克利金內插於無元素法上的使用外,本研究同時利用克利金法去分析領域的耦合,且此領域耦合有一些實際的應用:1)在有限元素法中可簡化網格的產生、2)減少無元素法的計算時間、3)可使用採用非均質材料於無元素法計算上。本研究施加位移諧和的條件在領域耦合的邊界上以達到領域耦合的目的,而所使用的程序則可同時應用於接合網格及非接合網格,而耦合的兩領域可為有限元素法與無元素法的任意組合,並在耦合項次的計算上亦採用克利金內插。此程序經驗證證實可行,並與精確解比較時顯示其可產生合理的解答。


    Meshfree methods are new class of numerical methods for solving partial differential equations, and they have found many applications in different fields. Commonly used shape functions in meshfree methods are moving least-square method (MLS), point-interpolation method (PIM), reproducing kernel particle method (RKPM), radial-basis point interpolation method (RPIM), etc. Kriging interpolant, a widely used interpolation scheme in geostatistics, is rarely applied in the context of meshfree methods.
    In this work, various combinations of Kriging methods and semivariograms are implemented, evaluated, and incorporated in meshfree methods for solving solid mechanics problems. Through these evaluations, the applicability and issues on using Kriging interpolants in meshfree methods can be studied and identified.
    In addition to the study of using Kriging interpolants as shape functions in meshfree methods, this work also studies the use of Kriging interpolants as domain couplers. Domain coupling has many practical applications: 1) simplifications of mesh generation in finite element methods, 2) reduce computation time of meshfree methods, and 3) introducing heterogeneous material properties in meshfree methods. In this work, a procedure for coupling two domains with matching or nonmatching meshes by imposing displacement continuity condition across the boundary is implemented. The procedure can coupled domains formulated using any combination of finite element method or meshfree method, and the coupling terms are computed using Kriging interpolants. It is shown that the proposed procedure for coupling can work, and produce reasonable results when compare to exact solutions.

    論文摘要 I ABSTRACT III 致謝 V 目錄 VII 圖目錄 XI 表目錄 XV 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 2 1.3 論文架構 3 第二章 文獻回顧 4 2.1 克利金法 4 2.1.1 克利金法的B.L.U.E特性 5 2.1.2 克利金法的種類 6 2.1.2.1 一般克利金 6 2.1.2.2 簡單克利金 7 2.1.2.3 通用克利金 8 2.1.3 半變異圖 9 2.1.4 克利金變異數 13 2.2 克利金無元素法 15 2.3 耦合 19 2.3.1 使用完全接合網格 20 2.3.1.1 使用有限元素法與無元素法施作 20 2.3.1.2 其他 21 2.3.2 使用非接合網格 22 2.3.2.1 使用有限元素法與有限元素法施作 22 2.3.2.2 使用有限元素法與無元素法施作 25 2.4 耦合系統驗證 27 第三章 研究方法 29 3.1 研究流程 29 3.2 ESFM 32 3.2.1 Model class群組 34 3.2.2 Domain class 群組 35 3.2.3 Formulation class 群組 35 第四章 系統分析與架構 37 4.1 ESFM系統架構 37 4.1.1 MeshlessShape class 38 4.1.1.1一般克利金 39 4.1.1.2簡單克利金 40 4.1.1.3通用克利金 42 4.1.2 WeightSeed class 43 4.1.2.1線性模型 44 4.1.2.2指數模型 45 4.1.2.3高斯模型 46 4.1.2.4球型模型 47 4.2 耦合系統架構 48 4.2.1 接合網格之耦合 50 4.2.1.1 Penalty method 52 4.1.1.2 Lagrange Multiplier method 53 4.2.2 非接合網格之耦合 53 4.2.2.1 Lagrange Multiplier method-Kriging method 56 第五章 系統驗證 57 5.1 克利金法形狀函數驗證 57 5.1.1 一般克利金法 59 5.1.2 簡單克利金法 67 5.1.3 克利金法形狀函數驗證之討論 73 5.2 克利金無元素法力學分析驗證 74 5.2.1 二維懸臂樑模型及其解析解 74 5.2.2應用克利金無元素法於二維懸臂樑之分析結果 75 5.2.3二維線荷重模型及其解析解 78 5.2.4應用克利金無元素法於二維線荷重模型之分析結果 79 5.3 耦合系統驗證 81 5.3.1接合網格之耦合 82 5.3.2非接合網格之耦合 96 5.4 誤差分析 104 5.5 效能分析 106 5.6 系統驗證小結 108 第六章 結論與建議 110 6.1 結論與討論 110 6.2 建議與未來展望 111 參考文獻 113

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