大规模边界元模态分析的高效数值方法

随着大规模快速边界元计算技术的发展,在复杂结构的动态设计、振动与噪声分析中愈来愈多地采用边界元法,因此求解大规模边界元特征值问题、进行复杂结构和声场模态分析,成为工程应用中一个十分重要,但却极具挑战性的课题,目前国际上还没有十分有效的数值方法.本文针对边界元法中典型的非线性特征值问题,提出了一种通用、高效的数值解法,称为基于预解矩阵采样的Rayleigh-Ritz投影法,记为RSRR.首先,通过求解一系列频域边界元问题来构造特征向量搜索空间,进而可以采用Rayleigh-Ritz投影,将原问题转化为一个可以采用现有方法求解的小规模缩减特征值问题;其次,为了降低Rayleigh-Ritz投影过程的计算量,基于解析函数的Cauchy积分公式,构造了边界元系数矩阵的插值近似方法,以及缩减特征值问题系数矩阵的快速计算方法,给出了插值项数的估计策略;最后,将RSRR与声学快速边界元法结合,应用于大规模吸声结构的复模态分析.数值算例表明,RSRR方法能够可靠地求出给定频段内的全部特征值和特征向量,具有计算效率高、精度高、通用等优点.     

一种模拟大规模高频声场的双层奇异边界法

大规模高频声场的数值模拟是一项非常有计算挑战性的课题.为了解决传统边界型离散方法由于全局支撑的满阵限制,不易应用于大规模高频声场模拟的计算瓶颈,本文提出了一种用于模拟大规模高频声场的双层奇异边界法.在该方法中,通过引入双层结构,细网格上的全局支撑的满阵被转化为局部支撑的大规模稀疏矩阵,传统奇异边界法模拟大规模问题时所面临的高计算量以及过度存储需求遂得以解决.其次,双层奇异边界法仅通过粗网格评估远场作用,且独立于特定的插值核函数.相较于快速多级方法,该方法具有更强的适应性和灵活性,且多层结构使该方法具有一定的预调节作用,非常适合求解具有大规模、高秩、高条件数特点的高频波矩阵.在其后的散射球模型算例中,双层奇异边界法配置10万个节点,成功模拟了无量纲波数高达160的声散射问题.在对于人头模型的声散射特性分析中,双层奇异边界法比COMSOL软件计算速度快了约78.13%.当配置8万个节点时,双层奇异边界法成功模拟了频率高达25 kHz的工况,该频率已远远超出了人耳的听力极限.     

一种模拟大规模高频声场的双层奇异边界法

大规模高频声场的数值模拟是一项非常有计算挑战性的课题. 为了解决传统边界型离散方法由于全局支撑的满阵限制, 不易应用于大规模高频声场模拟的计算瓶颈, 本文提出了一种用于模拟大规模高频声场的双层奇异边界法. 在该方法中, 通过引入双层结构, 细网格上的全局支撑的满阵被转化为局部支撑的大规模稀疏矩阵, 传统奇异边界法模拟大规模问题时所面临的高计算量以及过度存储需求遂得以解决. 其次, 双层奇异边界法仅通过粗网格评估远场作用, 且独立于特定的插值核函数. 相较于快速多级方法, 该方法具有更强的适应性和灵活性, 且多层结构使该方法具有一定的预调节作用, 非常适合求解具有大规模、高秩、高条件数特点的高频波矩阵. 在其后的散射球模型算例中, 双层奇异边界法配置10万个节点, 成功模拟了无量纲波数高达160的声散射问题. 在对于人头模型的声散射特性分析中, 双层奇异边界法比COMSOL软件计算速度快了约78.13\mathrm{\%}. 当配置8万个节点时, 双层奇异边界法成功模拟了频率高达25 kHz 的工况, 该频率已远远超出了人耳的听力极限.      

快速多极虚边界元法对含圆孔薄板有效弹性模量的模拟分析

针对虚边界元法,引入快速多极展开和广义极小残值法(GMRES)的思想,以形成快速多极虚边界元法的求解思想,并将此方法用于含圆孔薄板有效弹性模量的模拟分析.由于本文方法采用了"源点"多极展开和"场点"局部展开的组合处理方案,从而使得原问题方程组求解的计算耗时量和储存量降至与所求问题的计算自由度数成线性比例.本文工作的研究目的在于:提高虚边界元法在普通台式机上的运算能力和拓宽虚边界元法对大规模复杂问题的求解(或数值模拟).文中给出了均布圆孔的正方形薄板和之字形分布圆孔薄板二个算例,以验证该方法的可行性,计算精度和计算效率.     

基于边界元法的非均质薄板弯曲问题的解

本文用边界元法研究非均质无限域弹性薄板弯曲问题.在数值实施过程中,对于夹杂和基体分别形成边界积分方程.通过离散边界积分方程,得到相应的方程组,然后结合界面条件,最终获得问题的求解方程组.在界面的相关量求得之后,可以根据需要来求解基体和夹杂中的有关位置的弯矩.数值结果与已有的解做了对比.     

适合于求解边界元方程组的GMRES算法的实用化和并行化研究

为了将GMRES算法应用于大型边界元方程组的求解，采用预条件技术和重正交技术相结合的方法实现了该算法的实用化，然后在实用化的基础上针对迭代算法具有良好并行性的特点，研究了该算法在网络机群环境下的并行化技术。数值试验和分析表明所用的这些技术是行之有效的，对于提高求解速度和增大求解问题的规模是有意义的。     

三维高频声波的矩阵压缩边界节点法模拟

本文采用边界节点法(Boundary Knot Method, BKM)求解三维高频声场．由于高频赫姆霍兹方程的解是振荡的，极大影响了数值求解的精确度，需要在计算区域增加离散点，这会增加计算量．同时对于大规模声学问题，依靠边界节点法形成的插值矩阵为满秩，导致计算量过高和存储量过大．所以本文采用矩阵压缩技术(Matrix Compression, MC)，在有效继承边界节点法高精确度的基础上减少计算内存需求和时间，从而提高计算效率．数值实验表明，MC-BKM 求解精度高、收敛速度快、计算时间少，在高频大规模声波问题中应用前景广泛．     

应用边界积分法求圆形夹杂问题的解析解

边界元方法作为一种数值方法,在各种科学工程问题中得到了广泛的应用.本文参考了边界元法的求解思路,从Somigliana等式出发,利用格林函数性质,得到了一种边界积分法,使之可以用来寻求弹性问题的解析解.此边界积分法也可以从Betti互易定理得到.应用此新方法,求解了圆形夹杂问题.首先设定夹杂与基体之间完美连接,将界面处的位移与应力按照傅里叶级数展开,根据问题的对称性与三角函数的正交性来简化假设,减少待定系数的个数.其次选择合适的试函数(试函数满足位移单值条件以及无体力的线弹性力学问题的控制方程),应用边界积分法,求得界面处的位移与应力的值.然后再求解域内位移与应力.得到了问题的精确解析解,当夹杂弹性模量为零或趋向于无穷大时,退化为圆孔或刚性夹杂问题的解析解.求解过程表明,若问题的求解区域包含无穷远处时,所取的试函数应满足无穷远处的边界条件.若求解区域包含坐标原点,试函数在原点处位移与应力应是有限的.结果表明了此方法的有效性.     

应用边界积分法求圆形夹杂问题的解析解

边界元方法作为一种数值方法, 在各种科学工程问题中得到了广泛的应用.本文参考了边界元法的求解思路, 从Somigliana等式出发, 利用格林函数性质,得到了一种边界积分法, 使之可以用来寻求弹性问题的解析解.此边界积分法也可以从Betti互易定理得到. 应用此新方法, 求解了圆形夹杂问题.首先设定夹杂与基体之间完美连接, 将界面处的位移与应力按照傅里叶级数展开,根据问题的对称性与三角函数的正交性来简化假设, 减少待定系数的个数.其次选择合适的试函数(试函数满足位移单值条件以及无体力的线弹性力学问题的控制方程),应用边界积分法, 求得界面处的位移与应力的值. 然后再求解域内位移与应力.得到了问题的精确解析解, 当夹杂弹性模量为零或趋向于无穷大时,退化为圆孔或刚性夹杂问题的解析解. 求解过程表明,若问题的求解区域包含无穷远处时, 所取的试函数应满足无穷远处的边界条件.若求解区域包含坐标原点, 试函数在原点处位移与应力应是有限的.结果表明了此方法的有效性.      

三维弹性快速多极边界元法

将静电场多极展开法和广义极小残值法结合于三维弹性问题的边界元法，使其求解的计算量及所需内存量同节点的自由度总数成正比，变革计算结构，加快求解速度以适应大规模数值计算。两者结合的关键点在于边界元法基本解的合理分解，并用广义极小残值法(GMRES)求解方程。轧机支承辊变形场大规模数值算例的总自由度数首次达N=34008并获得成功。清晰地描述了支承辊和工作辊接触区的辊型。     

Natural Vibrations of Complex Bodies

The paper sets forth a modified preconditioned conjugate-gradient method with shifted aggregated multilevel preconditioning (MPCG_AMIS). The method is intended to solve large-scale natural-vibration problems. Such problems are typical for the finite-element analysis of buildings and other complex structures and bodies. Using a proper shift in preconditioning improves considerably the spectral properties of the preconditioner and, hence, improves convergence. Using the MPCG_AMIS allows us to avoid lock of convergence, which is the case in the conventional PCG method. The performance of the method is illustrated by examples     

High-efficiency improved symmetric successive over-relaxation preconditioned conjugate gradient method for solving large-scale finite element linear equations

Fast solving large-scale linear equations in the finite element analysis is a classical subject in computational mechanics. It is a key technique in computer aided engineering （CAE） and computer aided manufacturing （CAM）. This paper presents a high-efficiency improved symmetric successive over-relaxation （ISSOR） preconditioned conjugate gradient （PCG） method, which maintains lelism consistent with the original form. Ideally, the by 50% as compared with the original algorithm. the convergence and inherent paralcomputation can It is suitable for be reduced nearly high-performance computing with its inherent basic high-efficiency operations. By comparing with the numerical results, it is shown that the proposed method has the best performance.     

地下水流并行有限层方法及同伦反演研究

根据有限层求解格式存在的解耦性，实现了地下水三维流问题的高效并行化计算。在此基础上，结合非线性同伦方法，提出了地下水参数反演分析的并行同伦算法，利用MATLAB编译了相应的正反演计算程序。与已有解析解和有限差分解的对比以及数值算例，验证了并行化正反演方法及程序的正确性，探讨了并行算法的计算效率。研究表明，并行方法可以有效提高计算速度，较串行方法具有明显优势，同时同伦反演方法具有大范围收敛的特点，不依赖于参数值的初始选取。     

结构非平稳随机响应分析的快速虚拟激励法

虚拟激励法能够方便地应用于结构非平稳随机响应分析,但在每个离散频点处都涉及到虚拟激励作用下动力方程的时程积分,对于大型复杂结构,其计算量是难以接受的。将结构动力方程写成状态方程形式,采用精细积分法对状态方程进行数值求解,导出了结构动力响应关于离散时刻处激励的显式线性表达式。利用这一显式表达式,只需要变换离散时刻处的激励数值,就可以方便快捷地求出新的激励作用下的结构动力响应。效率分析和数值算例表明,相对于传统虚拟激励法,本文提出的改进算法在求解非平稳激励下结构随机振动方面具有更高的计算效率。     

基于射线穿透法的GPU并行阶梯型有限差分网格生成算法

三维大规模有限差分网格生成技术是三维有限差分计算的基础，网格生成效率是三维有限差分网格生成的研究热点。传统的阶梯型有限差分网格生成方法主要有射线穿透法和切片法。本文在传统串行射线穿透法的基础上，提出了基于GPU （graphic processing unit）并行计算技术的并行阶梯型有限差分网格生成算法。并行算法应用基于分批次的数据传输策略，使得算法能够处理的数据规模不依赖于GPU内存大小，平衡了数据传输效率和网格生成规模之间的关系。为了减少数据传输量，本文提出的并行算法可以在GPU线程内部相互独立的生成射线起点坐标，进一步提高了并行算法的执行效率和并行化程度。通过数值试验的对比可以看出，并行算法的执行效率远远高于传统射线穿透法。最后，通过有限差分计算实例可以证实并行算法能够满足复杂模型大规模数值模拟的需求。     

天然河流流场数值模拟的预处理方法

提出了求解一种二维原始变量湍流模型方程组的预处理方法。应用此方法对驱动方腔内的涡流及天然河流流场作了数值模拟计算，结果表明预处理方法具有较好的稳定性及较快的收敛速度，对天然河流流场的计算只有实用价值。     

大型结构有限元并行分析程序——PARNFAP

本文介绍了作者在西安交通大学ELXSI-6400并行机调试的大型结构有限元分析程序—PARNFAP。该程序利用子结构方法实现有限元计算的并行化,计算结果表明其具有良好的并行性能。     

爆炸与冲击问题的大规模高精度计算

爆炸与冲击问题的数值模拟在国防和民用安全领域具有重要的工程实用价值.由于爆炸与冲击问题是一个多物质在高应变率、高温及高压条件下的强非线性的瞬态动力学问题,给数值模拟带来了很多的困难,为此,针对爆炸与冲击问题数值模拟中的一些关键和难点问题开展了研究.提出了三维非线性双曲守恒系统的伪弧长自适应网格算法,分析了算法的实现过程,数值结果表明该算法有效地提高了冲击波强间断处的分辨率.发展了针对气相爆轰数值模拟的附加龙格-库塔方法,对非线性对流项进行显示计算,化学反应源项进行半隐式计算,有效地解决了源项引起的刚性问题,计算结果表明该算法可以准确地捕捉和描述爆轰波的复杂结构和典型特征.针对三维工程实际物理问题中的大规模计算需求,给出了三维多物质流体动力学欧拉数值方法的并行化方法,开发了三维爆炸与冲击问题并行计算程序,并给出了针对该并行程序的测试方法.上述工作有利地解决了爆炸与冲击问题大规模、高精度计算中的一些难题.最后,开展了大口径聚能射流侵彻混凝土靶问题的数值模拟和实验研究,通过典型爆炸与冲击工程问题的计算验证了所研究数值方法的有效性.      

An improved progressive preconditioning method for steady non‐cavitating and sheet‐cavitating flows

An improved progressive preconditioning method for analyzing steady inviscid and laminar flows around fully wetted and sheet‐cavitating hydrofoils is presented. The preconditioning matrix is adapted automatically from the pressure and/or velocity flow‐field by a power‐law relation. The cavitating calculations are based on a single fluid approach. In this approach, the liquid/vapour mixture is treated as a homogeneous fluid whose density is controlled by a barotropic state law. This physical model is integrated with a numerical resolution derived from the cell‐centered Jameson's finite volume algorithm. The stabilization is achieved via the second‐and fourth‐order artificial dissipation scheme. Explicit four‐step Runge–Kutta time integration is applied to achieve the steady‐state condition. Results presented in the paper focus on the pressure distribution on hydrofoils wall, velocity profiles, lift and drag forces, length of sheet cavitation, and effect of the power‐law preconditioning method on convergence speed. The results show satisfactory agreement with numerical and experimental works of others. The scheme has a progressive effect on the convergence speed. The results indicate that using the power‐law preconditioner improves the convergence rate, significantly. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.