等步长高次多项式插值加速度法的局限性

动力时程分析中,在几个相邻的等长时间步之间对加速度的变化规律用多项式插值来描叙,经过推导可求解得到整个时间域上的动力方程的解答.根据泰勒展开原理分析表明,随着所取多项式次数的增加,收敛精度增高,计算步长适当放大,截断误差仍能在容许的范围之内.但是随着所取多项式次数增大,其算法的稳定域减少, 计算步长受到了此小稳定域的限制,收敛精度不再是所取计算步长宽度的决定因素,稳定域大小成了所取计算步长宽度的决定因素.因为一旦步长超出了此小稳定域范围,虽然在每个时间步内的截断误差不大,其传递的误差却会被放大到很多倍,最后导致计算结果严重失真.分析结果显示,多项式插值次数采用到步长的三次时,与一次多项式插值(对应线性加速度法)和二次多项式插值(对应二次加速度法)的分析方法相比,算法的稳定域急剧变窄,为h/T≤0.0099(h为计算步长,T为结构的固有周期),此小稳定域限制了计算步长的选择范围,其收敛精度很高因此可放大计算步长的优势无法施展.本文推导了三次加速度法的求解过程,进行了一个理想单自由度系统的动力时程分析计算,验证了结论的正确性.表明同时考虑收敛精度和稳定域来确定计算步长的宽度时,二次加速度法为优.     

非线性动力学问题的一个显式精细积分算法

对非线性动力学问题,给出了一个显式的精细积分算法,适用于多自由度,强非线性,非保守系统,算例表明本方法精度高,计算量较少。     

李级数算法和显式辛算法的相位分析

以线性可分Hamilton动力学系统为例,研究了李级数算法和显式辛算法的相位精度,研究了李级数算法的保辛精度及其保辛精度的提高方法;指出了显式辛算法相位精度与算法阶次的不协调性,印辛算法的阶次高并不意味着其相位精度也高,李级数算法不存在这种问题,指出了一个算法的相位可能超前也可能滞后.分析结果表明三阶显式辛算法具有比较高的相位精度.     

改进的速度迭代弹塑性大变形动力半显式算法

提出了基于速度迭代的弹塑性大变形动力半显式算法,并且在此基础上采用拟弯曲膜单元,结合有模卸载方式数值模拟了U形弯曲以及S形导轨回弹过程,着重比较了动力半显式算法与动力显式算法和实验的回弹结果.给出了动力半显式算法的迭代格式和收敛标准.     

弹塑性损伤本构关系的显式积分算法研究

首先引入弹塑性损伤本构关系,分别从材料软化与残余应变两个方面,描述伪脆性材料的非线性行为.针对结构动力分析中的强非线性问题,给出了弹塑性损伤本构关系的显式积分算法.算法中引入算子分解的思想,将弹塑性本构关系分成塑性与损伤两个模块.首先求解塑性模块,根据有效应空间塑性演化公式,采用前进欧拉算法,直接构造塑性演化的预测值,并且根据屈服函数的漂移构造了误差限公式,作为衡量显式算法精度的指标.将塑性模块求解的结果代入损伤模块,可以方便地求得损伤变量的演化,并最终得到更新后的应力.整个求解过程不需要迭代,可最大程度的算法稳定性.将论文建立的本构关系显式算法与结构分析显式算法结合,构造了结构显式分析方法,并模拟了两个经典算例,算例结果验证了论文方法的有效性.     

一类带高频耗散的动力学显式算法

带数值耗散的算法因其能有效过滤虚假高频响应的影响而备受关注。基于离散控制理论Z变换,提出一类带数值耗散的结构动力学显式算法。该算法采用CR法的速度和位移递推式,满足零振幅衰减率,且对线性系统和非线性刚度软化系统为无条件稳定,对刚度硬化系统则是条件稳定的;该算法由单个参数ρ控制数值耗散能力。通过对振幅衰减和周期延长的理论分析表明,系数a可调节算法的精度和非线性稳定区间,给出精度最优时系数的取值。对特定的系数取值该算法可转变为CR法。通过算例对线性系统和非线性系统的分析验证了新算法具有良好的精度、稳定性和数值耗散,表明新算法是正确有效的。     

一种无条件稳定的结构动力学显式算法

利用离散控制理论, 针对结构动力学方程时间积分提出了一种新的无条件稳定的显式算法. 新算法采用CR 算法的速度和位移递推格式, 同时利用Z变换获得算法对应的传递函数, 进而根据极点条件推导了递推格式系数的具体表达式. 然后, 在其系数中引入了一个控制周期延长率的变量s, 从而调节新算法的精度. 理论分析表明无条件稳定显式新算法具有二阶精度、零振幅衰减率、无超调和自起步特性, 且周期延长率可以用变量s控制, 而CR 算法只是本文新算法的特例. 最后, 确定了非线性刚度硬化系统的稳定性界限, 并给出了使新算法精度达到较高的变量s的区间. 算例分析表明, 在此变量区间内取值时, 新算法的精度要优于纽马克常平均加速度算法和CR 算法.      

结构动力响应分析的三阶显隐式时程积分方法

基于泰勒级数展开式提出了一种用于结构动力响应分析的高精度时程积分方法,该方法假设t时刻的速度和加速度由t-Δt时刻、t时刻、t+Δt时刻的速度和加速度加权表示,并可根据求解需要调节权值,将积分算法构造成隐式格式或显式格式。通过理论分析和数值算例,计算讨论了该算法的稳定性和精度,确定了最佳的权值和允许的时间步长。结果表明:本文算法最高具有三阶精度,且具有振幅衰减率低、周期延长率极小等优点。最后结合一个铁道工程实例,表明本文算法适用于大型非线性动态响应的精确快速求解。     

连体结构基于时域显式法的瞬时最优控制算法

论文针对受到非平稳地震激励作用下的连体结构提出一种基于时域显式法的瞬时最优控制算法.该算法可以利用有限元模型施加脉冲荷载快速建立受控模型,可以避免系统状态部分可观测的问题,而且可以根据需要单独调控子结构受控效果的优点.一连体高层建筑结构算例用来说明该算法,并将该算法与传统瞬时最优控制算法比较,结果表明论文算法具有良好的控制效果.     

用显格式技术对复杂结构准静态加载的有限元模拟

在强非线性有限元分析中 ,当采用隐格式方法得不到预期结果时 ,显格式技术是解决问题的有效途径之一。采用显格式分析方法 ,要解决两个问题 ,一是合理选择载荷作用时间 ;二是控制系统的惯性效应。本文选用了 5个时间历程函数 ,首先将它们应用于线性弹簧振子分析中 ,得到了响应的解析表达式并做了误差分析 ,通过作图的方式 ,显示了各函数动静模拟的优劣。根据对线性弹簧振子的分析 ,得到了选择载荷作用时间的重要参数——线性系统的最小自然周期。随后对带孔口的薄板平面应力问题做非线性有限元动静分析 ,得到了一些有价值的结论 ,可供工程应用参考     

复振型导数计算的移位多次模态加速法

本文研究了含粘性阻尼结构的复振型导数计算问题，将导数计算问题看成是一个简谐激振的响应计算问题，采用多次模态加速法和移位法，导出了复振型导数计算的移位多次模态加速法。该方法具有明确的数学和物理意义，可导出已有的各种计算方法。算例表明本方法计算复振型导数只需用很少几个模态即可保证精度，计算量大大减少。     

A mesh stability study of FEM explicit algorithms for structural large-scale deformation impact responses

To FEM explicit algorithms for structural large-scale deformation impact responses, algorithm stability is discussed in the present paper. Algorithm stability is thought to include two aspects: One is called difference pattern stability and the other is called mesh stability. A self-adaptive adjusting method is proposed to ensure mesh stability with little amount of computation increased.     

无网格Galerkin法GPU加速并行计算及其应用

针对无网格Galerkin法计算耗时的问题,采用逐节点对法来组装刚度矩阵、共轭梯度法求解基于CSR格式存储的稀疏线性方程组,提出了一种利用罚函数法施加本质边界条件的EFG法GPU加速并行算法,给出了刚度矩阵和惩罚刚度矩阵的统一格式,以及GPU加速并行算法的流程图。编写了基于CUDA构架平台的GPU程序,且在NVIDIA GeForce GTX 660显卡上通过数值算例对所提算法进行了性能测试与分析比较,探讨了影响加速比的因素。算例结果验证了所提算法的可行性,并在满足计算精度的前提下,其加速比最大可达17倍;同时线性方程组的求解对加速比起决定性影响。     

From h to p efficiently: optimal implementation strategies for explicit time‐dependent problems using the spectral/hp element method

We investigate the relative performance of a second‐order Adams–Bashforth scheme and second‐order and fourth‐order Runge–Kutta schemes when time stepping a 2D linear advection problem discretised using a spectral/hp element technique for a range of different mesh sizes and polynomial orders. Numerical experiments explore the effects of short (two wavelengths) and long (32 wavelengths) time integration for sets of uniform and non‐uniform meshes. The choice of time‐integration scheme and discretisation together fixes a CFL limit that imposes a restriction on the maximum time step, which can be taken to ensure numerical stability. The number of steps, together with the order of the scheme, affects not only the runtime but also the accuracy of the solution. Through numerical experiments, we systematically highlight the relative effects of spatial resolution and choice of time integration on performance and provide general guidelines on how best to achieve the minimal execution time in order to obtain a prescribed solution accuracy. The significant role played by higher polynomial orders in reducing CPU time while preserving accuracy becomes more evident, especially for uniform meshes, compared with what has been typically considered when studying this type of problem.© 2014. The Authors. International Journal for Numerical Methods in Fluids published by John Wiley & Sons, Ltd.     

Convergence acceleration by self‐adjusted time stepsize using Bi‐CGSTAB method for turbulent separated flow computation

Poor convergence behavior is usually encountered when numerical computations on turbulent separated flow are performed. A design of self‐adjusted stepsize concept both in time span and spatial coordinate systems to achieve faster convergence is demonstrated in this study. The determination of the time stepsize based on the concept of minimization of residuals using the Bi‐CGSTAB algorithm is proposed. The numerical results show that the time stepsize adjusted by the proposed method indeed improves the convergence rate for turbulent separated flow computations using advanced turbulence models in low‐Reynolds number forms. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

Spatial accuracy and performance of a mixed‐order,explicit multi‐stage method for unsteady flows

We assess the spatial accuracy and performance of a mixed‐order, explicit multi‐stage method in which an inexpensive low‐order scheme is used for the initial stages, and a more expensive high‐order scheme is used for the final stage only. Compared with the use of a high‐order scheme for all stages, we observe that the mixed‐order scheme achieves comparable accuracy and convergence while providing a speed‐up of a factor of two on mesh sizes of O(10⁶ ? 10⁷) tetrahedron. For calculations with significant adaptive mesh refinement, a more modest speed‐up of 30% is obtained. Published 2012. This article is a US Government work and is in the public domain in the USA.     

Three-dimensional vibration analysis of thick rectangular plates using Chebyshev polynomial and Ritz method

This paper describes a method for free vibration analysis of rectangular plates with any thicknesses, which range from thin, moderately thick to very thick plates. It utilises admissible functions comprising the Chebyshev polynomials multiplied by a boundary function. The analysis is based on a linear, small-strain, three-dimensional elasticity theory. The proposed technique yields very accurate natural frequencies and mode shapes of rectangular plates with arbitrary boundary conditions. A very simple and general programme has been compiled for the purpose. For a plate with geometric symmetry, the vibration modes can be classified into symmetric and antisymmetric ones in that direction. In such a case, the computational cost can be greatly reduced while maintaining the same level of accuracy. Convergence studies and comparison have been carried out taking square plates with four simply-supported edges as examples. It is shown that the present method enables rapid convergence, stable numerical operation and very high computational accuracy. Parametric investigations on the vibration behaviour of rectangular plates with four clamped edges have also been performed in detail, with respect to different thickness-side ratios, aspect ratios and Poisson’s ratios. These results may serve as benchmark solutions for validating approximate two-dimensional theories and new computational techniques in future.     

建筑结构显式拟静力推覆分析方法研究

基于结构的精细化非线性有限元模型和显式拟静力求解方法,提出了结构拟静力推覆分析方法(EQPA);为控制结构惯性效应,给出了加载模式和基于能量的评价方法。在自主研发的CPU+GPU并行有限元软件中开发实现EQPA,可有效克服大规模复杂结构隐式Push-Over分析中计算量大和收敛性差的问题。使用EQPA对某超高层剪力墙结构的抗震性能进行分析,并与三组人工地震动的简化动力增量分析(sIDA)对比。结果表明,EQPA的结构惯性效应得到有效抑制;EQPA耗时仅为sIDA耗时的4.97%;两种分析方法的结果有一定差异,但两者的结构能力谱曲线、层间变形规律、薄弱楼层和构件损伤规律较为接近。