exponential basis functions
در نشریات گروه فنی و مهندسی-
The simulation of nonlinear surface waves is of significant importance in safety studies of fluid containers and reservoirs. In this paper, nonlinear free surface flows are simulated using a fixed grid method which employs local exponential basis functions (EBFs). Assuming the flow to be inviscid and irrotational, the velocity potential Laplace’s equation is spatially discretized and solved by considering the nonlinear Bernoulli’s equation for irrotational flow as the boundary condition on the free surface. The nonlinear boundary conditions are imposed through a semi-implicit iterative time marching. The fixed grid feature of the method, based on a Lagrangian description of fluid flow, allows for retaining the portion of the discretization performed in the first time step for the bulk of the fluid. Thus, the portion which pertains to the regions near the moving boundaries is reprocessed during the time marching. The accuracy and efficiency of the existing solution is shown by simulating various problems such as liquid sloshing induced by external excitation of the reservoir or initial deformed shape of liquid, seiche phenomena and solitary wave propagation in a basin with constant depth or with a step, and comparing the results with those which are analytically available or those from available codes such as Abaqus. The proposed method shows far better stability of the results when compared with those of Abaqus which sometimes exhibit divergence after a relatively large number of time steps. For instance, in the propagation of the considered solitary wave in an infinite-like domain problem, the wave height is calculated by the maximum error of 1.6% and 9% using the present method and Abaqus, respectively.Keywords: Moving boundaries, Meshless methods, Exponential basis functions, Potential flow, Velocity potential, Water oscillation, Wave profile
-
در این مقاله، فرمول بندی یک روش باقیمانده وزنی زمانی برای تحلیل ارتعاش تیر تیموشنکو تحت اثر بار متحرک توسعه داده شده است. ایده اصلی این روش، که اولین بار در مرجع [1] برای حل مساله انتشار موج اسکالر معرفی شد، استفاده از روابط پیش انتگرال گیری در کنار معادلات تعادل است. در گام نخست روش پیشنهادی، بازه ی زمانی به تعدادی زیر بازه افراز و سپس میدان شتاب در هر زیر بازه، به صورت ترکیب یک تابع مجهول و یک سری نمایی با ضرایب ثابت، تعریف می شود. در ادامه ضابطه بارگذاری بار متحرک به صورت سری فوریه کاهش یافته بازنویسی شده و به این ترتیب جواب خصوصی دستگاه معادله دیفرانسیل حاکم نظیر بار متحرک، به صورت سری مرکب از توابع پایه نمایی تعیین می شود. در نهایت نیز پاسخ دستگاه معادله دیفرانسیل حاکم با روش باقیمانده وزنی زمانی همراه با ارضاء دقیق شرایط اولیه و شرایط مرزی در دو انتهای تیر برآورد می شود. مهم ترین امتیاز این روش، ذخیره سازی اطلاعات هر گام زمانی بر روی ضرایب پایه های نمایی است، به گونه ای که پیشروی حل در زمان بدون نیاز به گسسته سازی تیر و تنها با استفاده از یک رابطه بازگشتی مناسب برای اصلاح ضرایب پایه های نمایی انجام می شود. به منظور بررسی دقت و کارایی روش پیشنهادی، نتایج حاصل در حل سه مثال نمونه از مساله بار متحرک سرعت ثابت و شتابدار بر روی تیر با شرایط مرزی متفاوت، با نتایج روش اجزا محدود مقایسه شده است. این مقایسه بیانگر سرعت و دقت بیشتر روش پیشنهادی در برآورد نیروهای داخلی تیر نسبت به روش المان محدود است.
کلید واژگان: تیر تیموشنکو، بار متحرک، روش باقیمانده وزنی زمانی، توابع پایه نمایی، روش گام به گام زمانیIn this paper, formulation of a recently proposed time-weighted residual method has been developed for the vibration analysis of Timoshenko beams under moving loads. Employing pre-integration relations as well as equilibrium equations, is the main idea of this method. In the first step of the proposed method, the time interval is subdivided into a number of sub-intervals and then the acceleration field in each sub-interval is defined as the combination of an unknown function and an exponential series with constant coefficients. Finally, the solution of the problem is estimated by the time-weighted residual method along with exact satisfaction of the initial and the boundary conditions at the two ends of the beam. Storing the information of solution at each time step on the exponential coefficients, is the most important advantage of this method, so that the solution is progressed in time without the need to discretize beams and only by using an appropriate recursive relation to update the exponential coefficients. In order to investigate the accuracy and efficiency of the proposed method, the results of solving three sample problems of constant and accelerated moving load on the beams with different boundary conditions, are compared with the results of finite element method. This comparison illustrates the speed and accuracy of the proposed method in estimating the internal shear forces and bending moments rather than those obtained by the finite element method.
Keywords: Timoshenko beam, Moving load, Time-weighted residual method, Exponential Basis Functions, Time marching method -
تعیین دقیق پاسخ سازه ها تحت بارهای دینامیکی از جمله بار زلزله نقش بسزایی در طراحی ایمن و اقتصادی سازه ها دارد. هدف این مقاله، بهره گیری از یک روش حل جدید بر مبنای استفاده از توابع پایه نمایی برای تحلیل دینامیکی تیر برنولی در مقابل تحریک های تکیه گاهی است. این روش نخستین بار در حل مسایل انتشار موج اسکالر و با عنوان روش گام به گام باقیمانده وزنی زمانی معرفی شد. پاسخ مسئله در روش پیشنهادی به صورت یک سری متشکل از توابع پایه نمایی با ضرایب ثابت مجهول در نظر گرفته شده و پیشروی حل در زمان بدون نیاز به گسسته سازی مکانی تیر و با استفاده از یک رابطه بازگشتی مناسب برای اصلاح ضرایب پایه های نمایی انجام می شود. به منظور اعمال تحریک زلزله نیز ابتدا با استفاده از رابطه تفاوت محدود مرکزی، تاریخچه شتاب زلزله به تاریخچه جابه جایی تبدیل می شود. در ادامه تاریخچه جابجایی به عنوان شرط مرزی دریشله متغیر در زمان به تیر اعمال می شود. در این مطالعه، قابلیت های روش پیشنهادی در حل چند مسئله نمونه از ارتعاش تیرهای تک و چند دهانه تحت انواع تحریک های تکیه گاهی از جمله تغییرات شتاب زلزله با نتایج سایر روش های موجود، مقایسه شده است.
کلید واژگان: تیر برنولی، روش گام به گام باقیمانده وزنی زمانی، توابع پایه نمایی، تحریک پایه ناشی از زلزلهAccurate determination of the response of structures under dynamic loads such as earthquake loads plays an important role in the safe and economical design of structures. The purpose of this paper is to utilize a novel solution method based on the use of exponential basis functions for dynamic analysis of Bernoulli beam subjected to different types of base excitations. This method was firstly introduced for solving scalar wave propagation problems, named as stepwise time-weighted residual method. The proposed method considers the solution as a series of exponential basis functions with unknown constant coefficients; and the problem is solved in time without the need for spatial discretization of the beam and by using an appropriate recursive relation to correct the coefficients of the exponential bases. In order to apply the earthquake excitation, first by using the central finite difference relation, the earthquake acceleration history is converted to displacement history. Moreover, the displacement history is applied to the beam as a time-varying boundary condition. In this study, the capabilities of the proposed method in solving several sample problems of vibration of single and multi-span beams under various stimuli such as earthquake acceleration variations are compared with the results of other existing methods.
Keywords: Euler-Bernoulli beam, Time weighted residual method, Exponential basis functions, Earthquake base excitation -
پدیده ی تلاطم سطحی سیال از مسائل پیچیده در پدیده های جریان با سطح آزاد است. روش های عددی بدون شبکه به عنوان روشی نوین، کاربرد فراوانی در حل این مساله دارند. در این روش ها، عدم وجود شبکه بندی و المان های پیچیده برای دامنه مسائل با توجه به تغییر هندسه حل در طول زمان، انعطاف پذیری زیادی در حل مسائل عددی به وجود می آورد. در تحقیقات صورت گرفته در گذشته مسئله ی تلاطم سطحی سیال در مخازن با استفاده از حل معادله ی لاپلاس، با توجه به پتانسیل سرعت، صورت گرفته است، اما حل این مسئله با معادلات فشار، چندان مورد توجه نبوده است؛ بنابراین با استفاده از معادلات فشار و یک الگوریتم زمانی لاگرانژی مناسب، روش توابع پایه نمایی تعمیم یافته برای مسائل مخازن تحت تحریک دینامیکی توسعه داده شده است. تقریب حل با استفاده از روش بدون شبکه ی توابع پایه نمایی تعمیم یافته صورت می گیرد و کل دامنه حل به تعدادی نقطه ی گرهی گسسته سازی شده و سپس با در نظر گرفتن شرایط مرزی مناسب، مجهولات مسئله تقریب زده می شوند. در این تحقیق، مثال های خطی و غیرخطی، تحت تحریک هارمونیک، به صورت دو بعدی از مخازن مکعب مستطیلی، حل شده است و نتایج حاصل از آن ها، با روش های حل تحلیلی، دیگر روش های حل عددی و همچنین، داده های آزمایشگاهی، مقایسه شده است. نتایج، نشان می دهند که به لحاظ صرف وقت و هزینه ی محاسبات، روش حاضر، در حالت دو بعدی، در مقایسه با دیگر روش های لاگرانژی موجود، بسیار درخور توجه است.کلید واژگان: تلاطم سطحی سیال، روش بدون شبکه، شبیه سازی عددی، توابع پایه نمایی، مخزن ذخیره مستطیلیSloshing phenomenon is one of the complex problems in free surface flow phenomena. Numerical methods as a new method can be used to solve this problem. In these methods, the lack of a mesh and complex elements the domain of problems due to the change in geometry of the solution over time provides a lot of flexibility in solving numerical problems. In the previous researches, the sloshing problem reservoirs , using the Laplace equation with respect to the velocity potential, but the solution to this problem with pressure equations has not much considered; therefore, using the pressure equations and a suitable time algorithm, generalized exponential basis function method has been developed for dynamic stimulation reservoirs. The approximation is solved, using a meshless method of generalized exponential basis functions and the entire domain of problem will discrete to a number of nodes and then with appropriate boundary conditions, the unknowns are approximated. In this study, linear and nonlinear examples have been solved under harmonic stimulation, in two-dimensional form of rectangular cube tanks, and the results of them have been compared with the analysis solving methods, other numerical methods, and experimental data. The results show that the present method in two-dimensional mode is very noticeable compared with other available methods because of accuracy in solving problem and spending time.Keywords: Sloshing, Meshless method, Numerical simulation, Exponential basis functions, Rectangular storage tank
-
در بررسی پدیده ی سونامی، عموما تئوری امواج تک استفاده می شود. در نوشتار حاضر، روش بدون شبکه مبتنی بر توابع پایه نمایی برای شبیه سازی بالاروی موج تک در سیال با سطح آزاد مطالعه و بررسی شده است. فرمول بندی روش ارائه شده براساس بیان لاگرانژی معادلات ناویر استوکس برای سیال غیرلزج تراکم ناپذیر بر مبنای فشار است. بر این اساس، معادله ی لاپلاس فشار در هر گام زمانی با استفاده از روش بدون شبکه ی توابع پایه نمایی حل می شود. پس از آن، با توجه به فرمول بندی لاگرانژی حرکت، هندسه ی حل به هنگام می شود و حل در زمان پیش می رود. با توجه به اینکه هندسه ی حل در طول زمان تغییر می کند، بدون شبکه بودن توابع پایه نمایی با توجه به بی نیازی به تولید شبکه در هر گام زمانی، به لحاظ صرفه جویی در زمان و هزینه ی محاسبات بسیار حائز اهمیت است. مقایسه ی انجام شده با داده های آزمایشگاهی نشان می دهد که نتایج به دست آمده در تعیین مقدار بیشینه ی بالاروی موج در حالت بدون شکست، دقت بالایی دارند.
کلید واژگان: سونامی، موج تک، روش بدون شبکه، توابع پایه نمایی، فرمول بندی لاگرانژی، بالاروی موجSolitary waves are often applied for simulating tsunami phenomenon. In this article, a meshless method based on exponential basis functions (EBFs) is developed to simulate the propagation of solitary waves and run-up on the slope. This method is a boundary-type meshless method using exponential basis functions with complex exponents. The solution to governing equations is considered as a series of these basis functions and boundary conditions satisfied via a point-wise collocation approach. In this research, the simplified Navier-Stokes equations in the Lagrangian form for an incompressible inviscid fluid are employed. Governing equations and boundary conditions are established on pressure as a potential equation. A stable Lagrangian time marching algorithm is developed for tracking free surface on the beach. So, the solution process can be preceded by boundary nodes tracking, and the most important characteristics of a fluid, such as the displacement, velocity, and acceleration, are the results of pressure Laplace equation. Geometry updating is only performed by changing the location of boundary nodes, and there is no need to mesh generation or any integration in solution process. According to the Lagrangian formulation, the numerical solution is performed at a time marching approach using an implicit two-step algorithm. In this algorithm, pressure equation is solved twice a step, and position of boundary nodes is corrected at the end of each time step. Minimum calculation time, convenient performance, and high accuracy in the solution process are the advantages of this method. The results of the present numerical method in the prediction of solitary wave propagation and estimation of run-up are verified through the comparison with experimental data. Different wave amplitude cases are simulated, and the resulted run-up is compared with experiments. The results show that presented meshless method and developed time marching algorithm are capable of simulating the run-up under non-breaking condition quiet accurately.
Keywords: Solitary Wave, Meshless Method, Exponential Basis Functions, Lagrangian Formulation, Wave Run -
در این مقاله، روش بدون شبکه توابع پایه نمایی برای شبیه سازی امواج هارمونیک تولید شده توسط موج ساز پیستونی در سیال دارای سطح آزاد ارائه شده است. فرمول بندی روش ارائه شده بر اساس رویکرد اویلری- لاگرانژی مخلوط و مبتنی بر پتانسیل سرعت است. در روش بدون شبکه توابع پایه نمایی برای گسسته سازی دامنه حل فقط از تعدادی نقطه روی مرزهای سیال استفاده می شود. با توجه به استفاده از الگوریتم اویلری- لاگرانژی مخلوط، به منظور به هنگام سازی هندسه حل در طی زمان، نقاط سطح آزاد فقط در راستای قائم جابه جا می شود. برای جلوگیری از برگشت امواج به داخل دامنه، در انتهای کانال موج از میرایی مصنوعی استفاده شده است. با استفاده از روش بدون شبکه ارائه شده، امواج غیرخطی با دامنه بزرگ شبیه سازی و نتایج با دیگر روش ها مقایسه شده است. روش حاضر با وجود هزینه اندک محاسباتی از دقت مطلوبی برخوردار است.کلید واژگان: امواج هارمونیک، موج ساز پیستونی، کانال موج، فرمول بندی اویلری، لاگرانژی مخلوط، توابع پایه نمایی، روش بدون شبکهIn this article, a meshless method based on exponential basis functions (EBFs) is presented to simulate the harmonic waves with moving free-surfaces generated by the piston-type wave maker. Accordingly, velocity potential is adopted in a Mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) approach. Boundary conditions are met through a point-wise collocation approach. In order to update the geometry in the simulation time, the free surface points are only moved vertically. To reduce the reflection in the wave flume, a damping zone is added at the far end opposite to the wave maker, where the velocity is modified by adding an artificial damping term. The results indicated the ability of this numerical method in simulating free surface flow problems like non-linear waves with a good accuracy, as well as suitable performances and the least run time calculation.Keywords: Harmonic waves, Piston-type wave maker, Wave flume, Mixed Eulerian-Lagrangian, Exponential basis functions, Meshless method
-
In this paper a meshless method using exponential basis functions is developed for fluid-structure interaction in liquid tanks undergoing non-linear sloshing. The formulation in the fluid part is based on the use of NavierStokes equations, presented in Lagrangian description as Laplacian of the pressure, for inviscid incompressible fluids. The use of exponential basis functions satisfying the Laplace equation leads to a strong form of volume preservation which has a direct effect on the accuracy of the pressure field. In a boundary node style, the bases are used to incrementally solve the fluid part in space and time. The elastic structure is discretized by the finite elements and analyzed by the Newmark method. The direct use of the pressure, as the 䐀䐀ential of the acceleration, helps to find the loads acting on the structure in a straight-forward manner. The interaction equations are derived and used in the analysis of a tank with elastic walls. The overall formulation may be implemented simply. To demonstrate the efficiency of the solution, the obtained results are compared with those obtained from a finite elements solution using Lagrangian description. The results show that while the wave height and the oscillations of elastic walls of the two analyses are in good agreement with each other; the use of the proposed meshless analysis not only leads to accurate hydrodynamic pressure but also reduces the computational time to one-eighth of the time needed for the finite elements analysis. ☮Keywords: Fluid-structure interaction; Meshless method; Exponential basis functions; LagrangianKeywords: Fluid-structure interaction, Meshless method, Exponential basis functions, Lagrangian description for fluids, Nonlinear sloshing
-
وجود نقاط تکین درون دامنه حل و یا برروی مرزها موجب کاهش دقت و شیب هم گرایی روش های عددی می شود. این پدیده در مسائل مهندسی عمدتا به دلیل وجود ناپیوستگی در شرایط مرزی و یا تغییر ناگهانی در شکل دامنه به وقوع می پیوندد. در این تحقیق حل مسائل تکین ورق با استفاده از روش بدون شبکه توابع پایه نمایی مورد توجه قرار می گیرد. در این روش توابع مجهول به صورت یک ترکیب خطی از توابع پایه نمایی درنظر گرفته شده و ضرایب ثابت آن با برآورده شدن تقریبی شرایط مرزی محاسبه می شود. برای بهبود دقت حل و شیب هم گرایی در مسائل دارای نقاط تکین، یک سری توابع تکین شبه نمایی به توابع پایه نمایی روش اضافه می شود. این توابع دارای ناپیوستگی مناسب در محل نقاط تکین بوده و مانند سایر توابع پایه نمایی معادله دیفرانسیل همگن را برآورده می کنند. نتایج حاصل از حل سه نمونه از مسائل ورق ترک خورده بیانگر افزایش چش مگیر دقت و شیب هم گرایی روش پیشنهادی نسبت به روش توابع پایه نمایی بدون افزایش زیادی در هزینه محاسباتی است.کلید واژگان: روش های بدون شبکه، مسائل تکین، توابع پایه نمایی، معادلات بای هارمونیک، ورقExistence of singular points inside the solution domain or on its boundary deteriorates the accuracy and convergence rate of numerical methods. This phenomenon usually happens due to discontinuities in the boundary conditions or abrupt changes in the domain shape. This study has focused on the solution of singular plate problems using the exponential basis functions method. In this method, unknown functions are considered as a linear combination of exponential basis functions and the coefficients are calculated by approximate satisfaction of the boundary conditions. To increase the accuracy and convergence rate in problems with singular points, a series of singular, quasi-exponential functions are added to the methods exponential basis functions. These functions have proper discontinuity in location of the singular points and satisfy the homogenous differential equation. The results obtained from the solution of three cracked plate problems show considerable increase in the accuracy and convergence rate of the proposed method compared with the exponential basis functions method without any noticeable increase in the computational cost.Keywords: Meshless methods, singular problems, exponential basis functions, bi, harmonic equation, plate
-
در این مقاله یک روش حل جدید بر مبنای استفاده از توابع پایه نمایی برای معادله انتقال حرارت گذرا در مواد لایه ای محوری ارائه شده است. در این روش ابتدا هر لایه از ماده به صورت یک المان مجزا در نظر گرفته می شود. در مرحله بعدی توزیع دما درون هر لایه به صورت سری متشکل از توابع پایه نمایی صدق کننده در معادله دیفرانسیل انتقال حرارت گذرا بیان می شود. سپس ضرایب ثابت سری جواب با استفاده از یک تبدیل گسسته به مقادیر شرایط اولیه و شرط مرزی دریشله هر لایه، مرتبط می شوند. در نهایت شرایط پیوستگی دما و شار گرمایی بین لایه ای در روندی مشابه با روش اجزاء محدود معمولی ارضاء می گردد. در این روش دوگانه شرایط اولیه و شرایط مرزی انتهایی حاکم بر مساله به صورت همزمان بر روی مجموعه ای از نقاط مرزی ارضاء می گردد. با حل چند مساله نمونه، قابلیت روش پیشنهادی در برآورد دقیق جواب معادله در مقایسه با سایر روش های موجود، نمایش داده شده است.کلید واژگان: انتقال حرارت گذرا، مواد لایه ای، روش بدون شبکه، توابع پایه نمایی، تبدیل گسستهIn this paper we present a novel method based on using Exponential Basis Functions (EBFs) to solve heat conduction problem in axially layered materials. In the first step, we have considered each layer of material as a separate element. Then the solution in each element was approximated by a summation of EBFs satisfying the differential equation of transient heat conduction problem. The unknown coefficients of the series solution were related to initial condition and Dirichlet side conditions of each layer employing a discrete transformation technique. Finally, the general solution of material was completed by satisfying the continuity conditions between adjacent layers in a manner similar to conventional finite element method. In this hybrid method, a collocation scheme was used for satisfying the time dependent boundary conditions as well as the initial conditions. The capability of the presented technique was investigated in the solution of some benchmark problems.Keywords: Transient Heat Conduction, Layered Materials, Meshless Method, Exponential Basis Functions, Discrete Transformation
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.