Un nuevo algoritmo para la integración cuasi-singular en el Método de Elementos de Contorno tridimensional aplicado a elementos de pared delgada
DOI:
https://doi.org/10.17533/udea.redin.17960Palabras clave:
MEC, placas, carcasas, integración numérica, transformación polinómicaResumen
La exactitud del Método de Elementos de Contorno (MEC) depende fuertemente de una evaluación precisa de las integrales de contorno. En estructuras de pared delgada, algunos puntos de colocación pueden estar muy cerca de elementos de integración, generando integrales cuasi-singulares que requieren el uso de técnicas especiales de integración numérica. En este trabajo, se presenta un algoritmo efectivo para la integración cuasi-singular en el MEC aplicado a estructuras de pared delgada en tres dimensiones. El algoritmo se basa en una combinación de la técnica de transformación de variables de Telles y la cuadratura de Gauss adaptativo para mejorar la precisión de la integración y para disminuir el tiempo de cálculo. La selección de parámetros para el algoritmo depende de la relación entre la distancia desde el punto de colocación al elemento de integración y una longitud de referencia del elemento. Como ejemplo, el algoritmo propuesto se aplica a una placa sometida a carga uniaxial y a un cilindro tubular a presión interna, ambos de pared delgada. Los resultados obtenidos están en concordancia con los resultados teóricos y la reducción de los tiempos de integración es significativa.
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L. Wrobel, M. Aliabadi. The Boundary Element Method. 1st ed. Ed. John Wiley & Sons. New York, USA. 2002. pp. 491-523.
A. Becker. Boundary Element Method in Engineering: A Complete Course. 1st ed. Ed. McGraw Hill. London, UK. 1992. pp. 1-14.
A. Zehnderand, M. Viz. “Fracture mechanics of thin plates and shells under combined membrane, bending and twisting loads”. Applied Mechanics Reviews. Vol. 58. 2005. pp. 37-48. DOI: https://doi.org/10.1115/1.1828049
C. Providakis, D. Beskos. “Dynamic analysis of plates by boundary elements”. Applied Mechanics Reviews. Vol. 52. 1999. pp. 213-236. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3098936
Y. Liu. “Analysis of shell-like structures by the Boundary Element Method based on 3-D elasticity: formulation and verification”. International Journal for Numerical Methods in Engineering. Vol. 41. 1998. pp. 541-558. DOI: https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-0207(19980215)41:3<541::AID-NME298>3.0.CO;2-K
J. Lachat, J. Watson. “Effective numerical treatment of Boundary Integral Equations: A formulation for threedimensional elastostatics”. International Journal for Numerical Methods in Engineering. Vol. 10. 1976. pp. 991-1005. DOI: https://doi.org/10.1002/nme.1620100503
J. Telles. “A self-adaptive co-ordinate transformation for efficient numerical evaluation of general boundary element integrals”. International Journal for Numerical Methods in Engineering. Vol. 24. 1987. pp. 959-973. DOI: https://doi.org/10.1002/nme.1620240509
W. Ye. “A new transformation technique for evaluating nearly singular integrals”. Computational Mechanics. Vol. 42. 2008. pp. 457-466. DOI: https://doi.org/10.1007/s00466-008-0262-6
Y. Gu, W. Chen, C. Zhang. “The sinh transformation for evaluating nearly singular boundary element integrals over high-order geometry elements”. Engineering Analysis with Boundary Elements. Vol. 37. 2013. pp. 301-308. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2012.11.011
P. Johnston, B. Johnston, D. Elliott. “Using the iterated sinh transformation to evaluate two dimensional nearly singular boundary element integrals”. Engineering Analysis with Boundary Elements. Vol. 37. 2013. pp. 708-718. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2013.01.013
B. Johnston, P. Johnston, D. Elliott. “A new method for the numerical evaluation of nearly singular integrals on triangular elements in the 3D boundary element method”. Journal of Computational and Applied Mathematics. Vol. 245. 2013. pp. 148-161. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cam.2012.12.018
J. Rong, L. Wen, J. Xiao. “Efficiency improvement of the polar coordinate transformation for evaluating BEM singular integrals on curved elements”. Engineering Analysis with Boundary Elements. Vol. 38. 2014. pp. 83-93. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2013.10.014
Y. Zhang, X. Li, V. Sladek, J. Sladek, X. Gao. “Computation of nearly singular integrals in 3D BEM”. Engineering Analysis with Boundary Elements. Vol. 48. 2014. pp. 32-42. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2014.07.004
Y. Liu, D. Zhang, F. Rizzo. Nearly singular and hypersingular integrals in the Boundary Element Method. Boundary Elements XV, Proceedings of the 15th Int. Conf. on Boundary Elements. Massachusetts, USA. 1993. pp. 453-468.
S. Mukherjee, M. Chati, X. Shi. “Evaluation of nearly singular integrals in boundary element contour and node methods for three-dimensional linear elasticity”. International Journal of Solids and Structures. Vol. 37. 2000. pp. 7633-7654. DOI: https://doi.org/10.1016/S0020-7683(99)00302-9
Z. Niu, W. Wendland, X. Wang, H. Zhou. “A semianalytical algorithm for the evaluation of the nearly singular integrals in three-dimensional boundary element methods”. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. Vol. 194. 2005. pp. 1057- 1074. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cma.2004.06.024
H. Hosseinzadeh, M. Dehghan. “A simple and accurate scheme based on complex space C to calculate boundary integrals of 2D boundary elements method”. Computers & Mathematics with Applications. Vol. 68. 2014. pp. 531-542. DOI: https://doi.org/10.1016/j.camwa.2014.06.011
H. Ma, N. Kamiya. “A general algorithm for the numerical evaluation of nearly singular boundary integrals of various orders for two- and threedimensional elasticity”. Computational Mechanics. Vol. 29. 2002. pp. 277-288. DOI: https://doi.org/10.1007/s00466-002-0340-0
G. Xie, J. Zhang, X. Qin, G. Li. “New variable transformations for evaluating nearly singular integrals in 2D boundary element method”. Engineering Analysis with Boundary Elements. Vol. 35. 2011. pp. 811-817. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2011.01.009
G. Xie, F. Zhou, J. Zhang, X. Zheng, C. Huang. “New variable transformations for evaluating nearly singular integrals in 3D boundary element method”. Engineering Analysis with Boundary Elements. Vol. 37. 2013. pp. 1169-1178 DOI: https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2013.05.005
Z. Niu, C. Cheng, H. Zhou, Z. Hu. “Analytic formulations for calculating nearly singular integrals in two-dimensional BEM”. Engineering Analysis with Boundary Elements. Vol. 31. 2007. pp. 949-964. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2007.05.001
F. Araújo, K. Silva, J. Telles. “Generic domain decomposition and iterative solvers for 3D BEM problems”. International Journal for Numerical Methods in Engineering. Vol. 68. 2006. pp. 448-472. DOI: https://doi.org/10.1002/nme.1719
H. Li, G. Han, H. Mang. “A new method for evaluating for evaluating singular integrals in stress analysis of solids by the direct boundary element method”. International Journal for Numerical Methods in Engineering. Vol. 21. 1985. pp. 2071–2098. DOI: https://doi.org/10.1002/nme.1620211109
R. Rigby. Boundary Element Analysis of Cracks in Aerospace Structures. PhD Thesis, University of Portsmouth. Portsmouth, UK. 1995. pp. 25-32
X. Qin, J. Zhang, G. Xie, F. Zhou, G. Li. “A general algorithm for the numerical evaluation of nearly singular integrals on 3D boundary element”. Journal of Computational and Applied Mathematics. Vol. 235. 2011. pp. 4174-4186. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cam.2011.03.012
S. Mukherjee. “Integral equation formulation for thin shells—revisited”. Engineering Analysis with Boundary Elements. Vol. 31. 2007. pp. 539-546. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2006.10.003
F. Araújo, K. Silva, J. Telles. “Application of a generic domain-decomposition strategy to solve shell-like problems through 3D BE models”. Communications in Numerical Methods in Engineering. Vol. 23. 2007. pp. 771-785. DOI: https://doi.org/10.1002/cnm.926
A. Frangi, M. Guiggiani. “Boundary element analysis of Kirchhoff plates with direct evaluation of hypersingular integrals”. International Journal for Numerical Methods in Engineering. Vol. 46. 1999. pp. 1845-1863. DOI: https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-0207(19991220)46:11<1845::AID-NME747>3.0.CO;2-I
M. Guiggiani. “The evaluation of Cauchy principal value integrals in the boundary element method – A review”. Mathematical and Computer Modelling. Vol. 15. 1991. pp. 175-184. DOI: https://doi.org/10.1016/0895-7177(91)90063-D
D. Beskos. “Boundary element methods in dynamic analysis: Part II (1986-1996)”. Applied Mechanics Reviews. Vol. 50. 1997. pp. 149-197. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3101695
N. Dowling. Mechanical Behavior of Materials. Engineering Methods for Deformation, Fracture, and Fatigue. 3rd ed. Ed. Prentice Hall. New Jersey, USA. 2007. pp. 785-786.
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