SUPERVISOR
Mojtaba Azhari,Bijan Boroomand
مجتبی ازهری (استاد مشاور) بیژن برومندقهنویه (استاد راهنما)
STUDENT
Sina Parand
سینا پرند
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1397
TITLE
Proposing a new meshless point interpolation method for solving engineering problems
Proposing a new meshless point interpolation method for solving engineering problems Sina Parand sinaparand@gmail.com Department of Civil Engineering Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran Degree M.Sc Language: Farsi Supervisor: Prof. Bijan Boroomand, boromand@cc.iut.ac.ir Advisor: Prof. Mojtaba Azhari, mojtaba@cc.iut.ac.ir A new meshless method, in which essential boundary conditions are enforced easily, and does not have the limitations of previous meshless methods, has been proposed in this thesis. The proposed method has been developed in two different forms: The first form is for the cases that shape functions can have positive or negative values. The second form is for the situations that the non-negative property of shape functions is desirable for problem solution. For the case that negative values for the shape functions are permitted, an interpolation method has been proposed. The existence of interpolation property provides the ability to enforce essential boundary conditions directly and without any intricacy. For providing this property, the idea of “two-part shape functions” has been used. According to this idea, the final shape functions consist of two different parts. The first part provides the Kronecker delta property and the second one provides the necessary reproducing/consistency conditions. In this method, there is an ability to construct shape functions with arbitrary order of continuity and consistency. However, in this research, only first order reproducing/consistency conditions have been investigated. For the second form, i.e. when it is necessary to have non-negative shape functions, the suggested method has been proposed in three different types. In the first type, only weak Kronecker delta property has been provided on boundaries (whether convex or concave), and there is also the possibility of providing arbitrary order of continuity. In the second type, in addition to the weak Kronecker delta property, interpolation property has been provided on boundaries. However, in this form, the continuity order of the approximation, on boundary nodes, reduces to the zero-order. In the third form, the interpolation property has been provided in the whole domain, while the continuity order decreases to zero-order in all nodes. Laplace and elasticity equations have been solved in 2-D spaces to study the convergence behaviour and accuracy of the suggested method in different forms. In the case of using non-negative shape functions, because of the discontinuities in nodes, the problems have been solved only by using Galerkin weak form. When it is not necessary to have non-negative shape functions, and when arbitrary order of continuity is attainable, the problems are solved using both of Galerkin weak form and strong form collocation. The integrals, in the Galerkin weak form, have been evaluated by using a background mesh constructed by Delaunay triangulation algorithm. In the strong form, nodal points are used as the collocation points. By applications of regular and irregular discretizations, the effects of using irregular-node-distribution have been investigated. The results of the numerical solutions of the problems show the excellent performance and accuracy of the proposed method, especially in Galerkin weak form applications. Keywords Meshless Method, Point Interpolation, Partial Differential Equations, Galerkin Weak Form, Strong Form Collocation, Essential Boundary Conditio
در این پایاننامه، یک روش جدید بدون شبکه، که اعمال شرایط مرزی ضروری در آن به سهولت انجام میشود و محدودیتهای روشهای بدون شبکه پیشین را ندارد، معرفی شده است. روش پیشنهادی، در دو فرم مختلف توسعه یافته است؛ فرم اول، مربوط به حالتی است که توابع شکل میتوانند مقادیر مثبت یا منفی اختیار کنند و فرم دوم مربوط به حالتی است که وجود ویژگی نامنفی بودن توابع شکل برای حل مسئله مطلوب میباشد. برای حالتی که وجود مقادیر منفی برای توابع شکل مجاز است، یک روش درونیابی ارائه شده است. وجود ویژگی درونیابی در روش پیشنهادی، امکان اعمال مستقیم و بدون پیچیدگی شرایط مرزی ضروری را فراهم میکند. برای تامین این ویژگی در روش پیشنهادی، از ایده "توابع شکل دوبخشی" استفاده شده است. بر اساس این ایده، توابع شکل نهایی از دو بخش مختلف، که بخش اول تامینکننده ویژگی کرونیکردلتا و بخش دوم تامینکننده شرایط بازتولید یا سازگاری مورد نیاز است، تشکیل میشوند. در این روش، امکان ساخت توابع شکل با مرتبه پیوستگی و شرایط سازگاری دلخواه وجود دارد. با اینحال، در این پژوهش صرفاً شرایط بازتولید مرتبه اول مورد بررسی قرار گرفته است. برای حالت دوم، یعنی حالت لزوم وجود ویژگی نامنفی بودن توابع شکل، روش پیشنهادی در سه فرم مختلف ارائه شده است. در فرم اول، صرفاً خاصیت ضعیف کرونیکردلتا بر روی مرزها (چه محدب و چه مقعر) تامین میشود و امکان تامین پیوستگی تا مرتبه دلخواه برای توابع شکل وجود دارد. در فرم دوم، علاوه بر خاصیت ضعیف کرونیکردلتا، ویژگی درونیابی هم بر روی مرزها تامین میشود که البته با کاهش مرتبه پیوستگی تقریب در گرههای مرزی به مرتبه صفر همراه است و در فرم سوم، ویژگی درونیابی در درون دامنه هم تامین میشود و مرتبه پیوستگی درکلیه گرهها به مرتبه صفر کاهش مییابد. برای مطالعه رفتار همگرایی و دقت روش پیشنهادی در فرمهای مختلف، حل عددی معادلات لاپلاس و الاستیسیته در فضای دوبعدی انجام شده است. در حالت استفاده از توابع شکل نامنفی، به دلیل ناپیوستگیهای موجود در گرهها، صرفاً حل در قالب فرم ضعیف گالرکین انجام شده است؛ در حالیکه در حالت عدم لزوم نامنفی بودن توابع شکل، که پیوستگی تا مرتبه دلخواه قابل تامین است، هم از فرم ضعیف گالرکین و هم از فرم قوی نقطهای برای حل مسئله استفاده شده است. انتگرالگیری در فرم ضعیف گالرکین با استفاده از یک شبکه پسزمینه حاصل از الگوریتم مثلثبندی دلونی انجام شده و در کاربرد فرم قوی نقطهای، از همان نقاط گرهای به عنوان نقاط حل استفاده شده است. با کاربرد گسستهسازیهای منظم و نامنظم، اثر نامنظم بودن آرایش گرهها هم با در نظر گرفتن شرایط مرزی مختلف بررسی شده است. نتایج حلهای عددی مسائل مورد بررسی، از دقت و عملکرد بسیار خوب روش پیشنهادی، به ویژه در قالب فرم ضعیف گالرکین، حکایت دارد. کلیدواژه روش بدون شبکه، درونیابی نقاط، معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی، فرم ضعیف گالرکین، فرم قوی نقطهای، شرایط مرزی ضروری.