SUPERVISOR
Bijan Boroomand,Mojtaba Azhari
بیژن برومندقهنویه (استاد راهنما) مجتبی ازهری (استاد مشاور)
STUDENT
Ehsan Soleimanifar
احسان سلیمانی فر
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Solution Of Solid Mechanics Problems Using Smooth Basis Functions in a Meshless Local Form
In this dissertation solution of partial differential equations (PDEs) with constant coefficients has been investigated using smooth basis functions in a meshless local form. These PDEs have a wide range of applications in engineering and scientific fields. First, a local meshless method based on previous researches has been described and the properties of the method are investigated through solving some numerical examples. In this method the solution domain is discretized using a set of points. The main deficiency of this method is the lack of accuracy in problems with an irregular distribution of nodes. A simple workaround has been devised to address a wide Also a new meshless local method has been developed for solution of PDEs with constant coefficients. In this method the procedure of solution begins by discretizing the solution domain using nodal points. A cloud, consisting of a set of adjacent nodes, is associated with each of these nodes. Solution of the differential equation in each cloud is divided into homogeneous and particular parts. Each of these parts is constructed as a series of exponential basis functions (EBFs) with constant coefficients. Basis functions of the homogeneous solution are calculated such that the homogeneous differential equation is exactly satisfied in the domain. A set of intermediate points are distributed in the domain and on the boundaries in order to constitute the system of equations. The equations inside the domain must be formed such that the continuity between the solutions of adjacent clouds is provided. A residual value is constructed at each intermediate point in the domain to guarantee the continuity between clouds. For imposing the boundary conditions a similar approach has been used. This approach has a good capability for satisfaction of the boundary conditions and conforms to the formulation used inside the domain. Selection of the homogeneous basis functions is one of the most important parameters affecting the quality of the solution. Suitable selection of these functions plays an important role in reducing the computational error and reaching appropriate accuracy in the final resuts. In the present research these basis functions are selected such that the sampling theorems conditions are satisfied. By using the sampling theorems the maximum frequency of the basis functions is limited. Finally the formulation of the proposed method has been applied to some important and useful PDEs in solid mechanics problems including Helmholtz, Poisson, elasticity and elastic wave equations in 2D domains. Several benchmark examples have been solved in each category of problems. The results of solved numerical examples show that the proposed method is capable for solving problems on domains with arbitrary shapes and boundary conditions and is not sensitive due to irregularity of the nodal points. The ability to solve the problems with rather high frequencies and problems with singular points near the boundary of the domain are some of the other features of this method. Although the proposed method of this dissertation has been used for solving some Keywords differential equations, exponential basis functions, meshless method, sampling theorems, solid mechanics
در این پایان نامه حل معادلات دیفرانسیل با ضرایب ثابت با استفاده از توابع پایه هموار به صورت بدون شبکه محلی مورد بررسی قرار گرفته است. این معادلات دارای کاربرد فراوانی در زمینه حل مسائل مهندسی و علوم پایه می باشند. در این راستا ابتدا یک روش بدون شبکه محلی بر اساس تحقیقات صورت گرفته قبلی بیان شده و با ارائه چند مثال عددی به بررسی ویژگی های آن پرداخته شده است. در این روش به منظور گسسته سازی دامنه حل از یک سری نقاط گره ای در داخل دامنه و روی مرزها استفاده می شود. بررسی های انجام شده نشان می دهد که وجود نامنظمی در شبکه نقاط گره ای باعث کاهش دقت حل و کیفیت نتایج نهایی می گردد که به منظور بهبود این مشکل و فراهم شدن امکان حل مسائل بیشتری با استفاده از روش مذکور یک راهکار ساده ارائه شده است. در این پایان نامه همچنین یک روش محلی بدون شبکه جدید به منظور حل مسائل مختلف توسعه داده شده است. در این روش نیز گسسته سازی دامنه حل به وسیله شبکه ای از نقاط گره ای صورت می گیرد و در هر یک از این نقاط یک ابر شامل تعدادی از نقاط گره ای مجاور در نظر گرفته می شود. پاسخ معادله دیفرانسیل در محدوده هر ابر به صورت مجموع دو بخش همگن و خصوصی نوشته شده و هر یک از این بخش ها به صورت یک ترکیب خطی از یک سری توابع پایه نمایی بیان می شوند. توابع پایه حل همگن به نحوی تعیین می شوند که معادله دیفرانسیل همگن به شکل دقیق در دامنه حل ارضاء شود. به منظور تشکیل معادلات نهایی در روش پیشنهادی علاوه بر نقاط گره ای از یک سری نقاط واسطه نیز در سراسر دامنه و روی مرزها استفاده می شود. این معادلات در داخل دامنه به گونه ای تنظیم می گردد که موجب پیوستگی حل ابرهای مجاور شود که این کار با تشکیل یک عبارت باقیمانده در هر یک از نقاط واسطه انجام می شود. به منظور ارضاء شرایط مرزی نیز از شیوه ای شبیه به نحوه تشکیل معادلات در داخل دامنه حل استفاده شده که از توانایی مناسبی در برآورده ساختن شرایط مرزی برخوردار می باشد. یکی از پارامترهای موثر بر دقت نتایج در روش پیشنهادی توابع پایه مورد استفاده در حل همگن است که این توابع با استفاده از قضایای نمونه برداری انتخاب می شوند. قضایای نمونه برداری حداکثر فرکانس موجود در توابع پایه حل همگن را به مقادیر مشخصی محدود می کنند. روابط مورد استفاده در روش پیشنهادی به منظور حل برخی از مسائل پرکاربرد در زمینه مکانیک جامدات، از جمله معادلات دیفرانسیل هلمهلتز و پواسون و نیز مسائل الاستیسیته و موج الاستیک بر روی دامنه های دو بعدی توسعه داده شده و در هر مورد حل مثال های عددی مختلفی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده از حل مثال های عددی نشان دهنده توانایی این روش در حل این دسته از مسائل بر روی دامنه هایی با اشکال هندسی مختلف و شرایط مرزی گوناگون است، همچنین این روش نسبت به نامنظمی شبکه نقاط گره ای حساس نمی باشد. توانایی حل مسائل با فرکانس های نسبتاً زیاد و نیز مسائلی که دارای نقاط تکین در نزدیکی دامنه حل می باشند از دیگر ویژگی های روش پیشنهادی به حساب می آید. اگرچه روش ارائه شده در این پایان نامه به منظور حل برخی از مسائل مهم در زمینه مکانیک جامدات مورد استفاده قرار گرفته است، قابلیت توسعه به منظور حل مسائل بسیار بیشتری را دارد. کلمات کلیدی معادلات دیفرانسیل، توابع پایه نمایی، روش بدون شبکه، قضایای نمونه برداری، مکانیک جامدات