1,840 research outputs found

    3D isogeometric indirect BEM solution based on virtual surface sources on the boundaries of Helmholtz acoustic problems

    Get PDF
    A solution for 3D Helmholtz acoustic problems is introduced based on an indirect boundary element method (indirect BEM) coupled with isogeometric analysis (IGA). The novelty of this work arises from using virtual surface sources placed directly on the scatterer boundaries,producing robust results. These virtual surface sources are discretized by the same Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) approximating the scatterer CAD model. This allows modelling of general irregular geometries. The proposed solution has the same features of BEM approaches, which do not need any domain discretization or truncation boundaries at the far-field. It shows an additional merit by arranging the linear system of equations directly depending on a single coefficient matrix, consuming less computational time compared to other BEM methods. A Greville abscissae collocation scheme is proposed with offsets at C0-continuities. This collocation scheme allows for easy evaluation for both free-terms and normals at the collocation points.The performance of the proposed solution is discussed on 3D numerical exterior problems and compared against other BEM methods. Then, the practical interior muffler problem with internal extended thin tubes is studied and the obtained results are compared against other numerical methods in addition to the available experimental data, showing the capability of the proposed solution in handling thin-walled geometries

    Nonlocal field theory of quasiparticle scattering in dipolar Bose-Einstein condensates

    No full text
    We consider the propagation of quasiparticle excitations in a dipolar Bose-Einstein condensate, and derive a nonlocal field theory of quasiparticle scattering at a stepwise inhomogeneity of the sound speed, obtained by tuning the contact coupling part of the interaction on one side of the barrier. To solve this problem ab initio, i.e., without prior assumptions on the form of the solutions, we reformulate the dipolar Bogoliubov-de Gennes equation as a singular integral equation. The latter is of a novel hypersingular type, in having a kernel which is hypersingular at only two isolated points. Deriving its solution, we show that the integral equation reveals a continuum of evanescent channels at the sound barrier which is absent for a purely contact-interaction condensate. We furthermore demonstrate that by performing a discrete approximation for the kernel, one achieves an excellent solution accuracy for already a moderate number of discretization steps. Finally, we show that the non-monotonic nature of the system dispersion, corresponding to the emergence of a roton minimum in the excitation spectrum, results in peculiar features of the transmission and reflection at the sound barrier which are nonexistent for contact interactions

    Elastic solution for a circular disk with a central crack under compressive diametrical load

    No full text
    The splitting tensile strength test (Brazilian test) is widely used because of its simplicity to assess the ultimate tensile strength and fracture behaviour of a variety of brittle materials, with specific reference to ceramics, concrete, and cementitious composites. Indeed, from the linear theory of elasticity, the distribution of the normal stress along any diameter of an uncracked disk subjected to a pair of concentrated diametrical compressive forces is known in closed form. Conversely, a Brazilian disk with a pre-existing central crack of a given length turns out to be a much more challenging problem owing to the mixed boundary conditions to be imposed inside and outside the crack along the crack direction, together with the condition about the stress field along the outer curved boundary of the disk. Few studies deal with such a demanding layout. Among these, based on the weight function method, Dong et al. (2004) evaluated the SIFs varying the angle of the external load with respect the crack plane and the crack length as well. Critical conditions for the achievement of pure mode I and mode II loading have been found also. However, that study is restricted to the neighbouring of the crack tips. In the present study, the full field solution of the Brazilian disk is provided analytically in terms of Airy stress function in bipolar coordinates. The study is handled by examining separately a skew-symmetric and a symmetric loading condition, representative for the mode II and mode I loadings, respectively. Both the situations lead to a Fredholm hypersingular integral equation, whose solution is found through a collocation method by expanding the unknown in series of Chebyshev polynomials. It is pointed out that for mode I loading, a closing or an opening crack may arise. Both these circumstances have been analysed in detail. Conversely to the existing studies, the proposed formulation allows assessing both the displacement and stress fields along the entire diameter of the disk in the direction of the crack for any loading angle

    On interpolation spaces of piecewise polynomials on mixed meshes

    Full text link
    We consider fractional Sobolev spaces HθH^\theta, θ(0,1)\theta\in (0,1), on 2D domains and H1H^1-conforming discretizations by globally continuous piecewise polynomials on a mesh consisting of shape-regular triangles and quadrilaterals. We prove that the norm obtained from interpolating between the discrete space equipped with the L2L^2-norm on the one hand and the H1H^1-norm on the other hand is equivalent to the corresponding continuous interpolation Sobolev norm, and the norm-equivalence constants are independent of meshsize and polynomial degree. This characterization of the Sobolev norm is then used to show an inverse inequality between H1H^1 and HθH^\theta

    Beam scanning by liquid-crystal biasing in a modified SIW structure

    Get PDF
    A fixed-frequency beam-scanning 1D antenna based on Liquid Crystals (LCs) is designed for application in 2D scanning with lateral alignment. The 2D array environment imposes full decoupling of adjacent 1D antennas, which often conflicts with the LC requirement of DC biasing: the proposed design accommodates both. The LC medium is placed inside a Substrate Integrated Waveguide (SIW) modified to work as a Groove Gap Waveguide, with radiating slots etched on the upper broad wall, that radiates as a Leaky-Wave Antenna (LWA). This allows effective application of the DC bias voltage needed for tuning the LCs. At the same time, the RF field remains laterally confined, enabling the possibility to lay several antennas in parallel and achieve 2D beam scanning. The design is validated by simulation employing the actual properties of a commercial LC medium

    Revisiting classical concepts of Linear Elastic Fracture Mechanics - Part I: The closing ‘mathematical’ crack in an infinite plate and the respective Stress Intensity Factors

    Get PDF
    This is the first part of a short three-paper series, aiming to revisit some classical concepts of Linear Elastic Fracture Mechanics. The motive of this first paper is to highlight some controversial issues, related to the un­natu­ral overlapping of the lips of a ‘mathematical’ crack in an in­fin­­­ite plate load­ed by specific combinations of principal stresses at in­finity (predicted by the clas­si­c­al solu­tion of the respective first fundamental problem), and the closely as­so­ciated issue of negative mode-I Stress Intensity Factor. The problem is con­­­front­ed by superimposing to the first funda­mental problem of Lin­ear Elastic Frac­ture Mechanics for an in­fin­ite cracked plate (with stress-free crack lips) an ‘in­­verse’ mixed fund­amental problem. This superposition provides naturally ac­­­­­­­­ceptable stress and displacement fields, prohibiting overlapping of the lips (by means of contact stresses generated along the crack lips, which force the over­lapped lips back to naturally accepted position) and, also, non-negative mode-I Stress Intensity Factors. The solu­tions of this first paper form the basis for the next two papers of the series, dealing with the respective prob­lems in fi­­n­ite do­­mains (recall, for example, the cracked Brazil­ian disc con­fig­u­ra­tion) weak­­ened by artificial notches (rather than ‘math­e­mat­ical’ cracks), by far more interesting for practical engineer­ing ap­pli­­ca­tions

    Generalized impedance boundary conditions with vanishing or sign-changing impedance

    Full text link
    We consider a Laplace type problem with a generalized impedance boundary condition of the form νu=x(gxu)\partial_\nu u=-\partial_x(g\partial_xu) on a flat part Γ\Gamma of the boundary. Here ν\nu is the outward unit normal vector to Ω\partial\Omega, gg is the impedance parameter and xx is the coordinate along Γ\Gamma. Such problems appear for example in the modelling of small perturbations of the boundary. In the literature, the cases g=1g=1 or g=1g=-1 have been investigated. In this work, we address situations where Γ\Gamma contains the origin and g(x)=1x>0(x)xαg(x)=\mathbb{1}_{x>0}(x)x^\alpha or g(x)=-\mbox{sign}(x)|x|^\alpha with α0\alpha\ge0. In other words, we study cases where gg vanishes at the origin and changes its sign. The main message is that the well-posedness in the Fredholm sense of the corresponding problems depends on the value of α\alpha. For α[0,1)\alpha\in[0,1), we show that the associated operators are Fredholm of index zero while it is not the case when α=1\alpha=1. The proof of the first results is based on the reformulation as 1D problems combined with the derivation of compact embedding results for the functional spaces involved in the analysis. The proof of the second results relies on the computation of singularities and the construction of Weyl's sequences. We also discuss the equivalence between the strong and weak formulations, which is not straightforward. Finally, we provide simple numerical experiments which seem to corroborate the theorems

    New hybrid quadrature schemes for weakly singular kernels applied to isogeometric boundary elements for 3D Stokes flow

    Full text link
    This work proposes four novel hybrid quadrature schemes for the efficient and accurate evaluation of weakly singular boundary integrals (1/r kernel) on arbitrary smooth surfaces. Such integrals appear in boundary element analysis for several partial differential equations including the Stokes equation for viscous flow and the Helmholtz equation for acoustics. The proposed quadrature schemes apply a Duffy transform-based quadrature rule to surface elements containing the singularity and classical Gaussian quadrature to the remaining elements. Two of the four schemes additionally consider a special treatment for elements near to the singularity, where refined Gaussian quadrature and a new moment-fitting quadrature rule are used. The hybrid quadrature schemes are systematically studied on flat B-spline patches and on NURBS spheres considering two different sphere discretizations: An exact single-patch sphere with degenerate control points at the poles and an approximate discretization that consist of six patches with regular elements. The efficiency of the quadrature schemes is further demonstrated in boundary element analysis for Stokes flow, where steady problems with rotating and translating curved objects are investigated in convergence studies for both, mesh and quadrature refinement. Much higher convergence rates are observed for the proposed new schemes in comparison to classical schemes

    Ефективні методи аналізу аксіально-симетричних крайових задач теорії потенціалу та теорії пружності

    Get PDF
    В дисертаційній роботі розв'язано важливу науково-технічну проблему, яка полягає в розробленні сучасного ефективного обчислювального методу для аналізу практично важливих крайових задач теорії потенціалу та теорії пружності з урахуванням аксіальної симетрії. Сформульовано неперервні та дискретні математичні моделі для проведення розрахунків фізичних полів в задачах визначення вібрацій вільної поверхні в оболонках обертання, розв’язання крайових задач електродинаміки, теорії пружності в аксіально-симетричному формулюванні. Побудовано коректні та точні алгоритми числового моделювання задач прикладної фізики у напрямках гідродинаміки, електродинаміки та теорії пружності. Створено математичний апарат для коректного обчислення сингулярних інтегралів матриць теорії потенціалу та теорії пружності (задач з еліптичним диференціальним оператором). Побудовані математичні моделі для дослідження вільних коливань рідини в жорстких резервуарах за різні рівні заповнення, різні рівні гравітаційного поля, у тому числі при малих рівнях гравітації. Удосконалено метод сингулярних елементів для розв’язання задач визначення динамічних характеристик складених оболонок, частково заповнених рідиною. Розроблено нову математичну модель для вивчення гравітаційно-капілярних хвиль. Розроблено математичну модель просторового репрезентативного елементу для вивчення осереднених механічних властивостей композитів та нанокомпозитів, з врахуванням класичних та некласичних умов на поверхнях взаємодії матеріалів матриці та включення на основі методу граничних елементів. Проведено числове дослідження задачі електростатики. Досліджені коливання рідини в коаксіальних та тороїдальних оболонках, частково заповнених рідиною.Все більше ускладнення сучасної техніки, інженерних споруд та апаратури вимагає проведення комплексних наукових досліджень з фізики, механіки, хімії з метою з’ясування працездатності, надійності та міцності обладнання. Хоча натурні експерименти є необхідними для прийняття адекватних інженерних рішень, їх проведення є досить коштовною та не завжди безпечною процедурою. Тому на перший фланг сучасних наукових розробок виходять методи віртуального моделювання, комп’ютерної фізики та обчислювальної математики. Значна кількість сучасного технічного обладнання при проектуванні вимагає кваліфікованих обчислень характеристик фізичних та механічних полів, що забезпечують високу надійність, міцність, стійкість руху елементів обладнання, що розглядаються. Хоча лише натурний експеримент дає змогу підтвердити або спростувати теоретичні моделі фізичних явищ, проведення таких експериментів в багатьох випадках є коштовною та не завжди безпечною процедурою. Тому головним в сучасних наукових дослідженнях стають віртуальні, або комп’ютерні експерименти, що дають змогу отримати необхідні фізичні характеристики шляхом проведення числових розрахунків. Для проведення розрахунків фізичних полів використовують математичні моделі у вигляді диференціальних рівнянь та їх систем із заданими початковими та граничними умовами. Існує багато математичних моделей для розрахунку фізичних полів, які засновані на використанні диференціальних рівнянь еліптичного типу. К таким формулюванням приводять задачі вивчення руху рідини в резервуарах, визначення статичних та динамічних характеристик пружного тіла, задачі електростатики та ін. Однією з важливих науково-технічних проблем в галузі ракетно-космічної техніки є забезпечення стійкості ракет-носіїв на різних етапах польоту, включаючи маневри при низьких рівнях гравітації. Вказані задачі можна розв’язувати з використанням теорії потенціалу з подальшим зведенням до сингулярних інтегральних рівнянь. Це дає значні переваги у порівнянні з методами, що використовують різного роду сітки, які охоплюють розрахункову область в цілому, оскільки використання вказаних сингулярних інтегральних рівнянь потребує лише дискретизації межі розрахункової області. Але труднощі виникають при числовому аналізі, що пов’язано з наявністю особливостей різного типу в досліджуваних інтегралах. Тому актуальними питаннями є розроблення нових ефективних комп’ютерних технологій для проведення віртуальних випробувань на основі комп’ютерного експерименту. Це вимагає створення нових числових схем та обчислювальних методів. Сучасний стан розвитку комп’ютерної техніки дозволяє досліджувати складні механічні системи та знаходити характеристики фізичних полів різної природи з використанням удосконалених математичних формулювань

    Fast boundary element methods for the simulation of wave phenomena

    Get PDF
    This thesis is concerned with the efficient implementation of boundary element methods (BEM) for their application in wave problems. BEM present a particularly useful tool, since they reduce the dimension of the problems by one, resulting in much fewer unknowns. However, this comes at the cost of dense system matrices, whose entries require the integration of singular kernel functions over pairs of boundary elements. Because calculating these four-dimensional integrals by cubature rules is expensive, a novel approach based on singularity cancellation and analytical integration is proposed. In this way, the dimension of the integrals is reduced and closed formulae are obtained for the most challenging cases. This allows for the accurate calculation of the matrix entries while requiring less computational work compared with conventional numerical integration. Furthermore, a new algorithm based on hierarchical low-rank approximation is presented, which compresses the dense matrices and improves the complexity of the method. The idea is to collect the matrices corresponding to different time steps in a third-order tensor and to approximate individual sub-blocks by a combination of analytic and algebraic low-rank techniques. By exploiting the low-rank structure in several ways, the method scales almost linearly in the number of spatial degrees of freedom and number of time steps. The superior performance of the new method is demonstrated in numerical examples.Diese Arbeit befasst sich mit der effizienten Implementierung von Randelementmethoden (REM) für ihre Anwendung auf Wellenprobleme. REM stellen ein besonders nützliches Werkzeug dar, da sie die Dimension der Probleme um eins reduzieren, was zu weit weniger Unbekannten führt. Allerdings ist dies mit vollbesetzten Matrizen verbunden, deren Einträge die Integration singulärer Kernfunktionen über Paare von Randelementen erfordern. Da die Berechnung dieser vierdimensionalen Integrale durch Kubaturformeln aufwendig ist, wird ein neuer Ansatz basierend auf Regularisierung und analytischer Integration verfolgt. Auf diese Weise reduziert sich die Dimension der Integrale und es ergeben sich geschlossene Formeln für die schwierigsten Fälle. Dies ermöglicht die genaue Berechnung der Matrixeinträge mit geringerem Rechenaufwand als konventionelle numerische Integration. Außerdem wird ein neuer Algorithmus beruhend auf hierarchischer Niedrigrangapproximation präsentiert, der die Matrizen komprimiert und die Komplexität der Methode verbessert. Die Idee ist, die Matrizen der verschiedenen Zeitpunkte in einem Tensor dritter Ordnung zu sammeln und einzelne Teilblöcke durch eine Kombination von analytischen und algebraischen Niedrigrangverfahren zu approximieren. Durch Ausnutzung der Niedrigrangstruktur skaliert die Methode fast linear mit der Anzahl der räumlichen Freiheitsgrade und der Anzahl der Zeitschritte. Die überlegene Leistung der neuen Methode wird anhand numerischer Beispiele aufgezeigt
    corecore