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结构力学的鲁棒自适应代数多重网格线性求解器。 (英语) Zbl 1441.74302号

摘要:通过有限元进行结构力学应用的数值模拟通常需要求解大型线性系统,尤其是在寻求导出变量(如应力场或变形场)的准确结果时。这样的任务代表了最耗时的内核,并推动了针对这些应用程序的健壮高效线性求解器的开发。一方面,直接求解器是健壮且易于使用的,但其在最佳情况下的计算复杂性是超线性的,这根据问题大小限制了适用性。另一方面,迭代求解器,特别是基于代数多重网格(AMG)预条件的迭代求解器可以达到线性复杂度,但需要用户提供更多知识才能进行有效设置,并且收敛性并不总是得到保证,特别是在病态问题中。在这项工作中,我们提出了一种专门针对病态结构问题的新型AMG方法。它的特点是自适应因子稀疏近似逆(aFSAI)方法更平滑,改进的基于最小二乘的延拓(DPLS),以及利用现有近似值来发现近零空间的方法。由此产生的线性解算器已应用于解决由实际线性弹性结构问题引起的具有挑战性的线性系统。数值实验证明了该方法的有效性和鲁棒性,并表明在某些情况下,所提出的算法优于最先进的AMG线性解算器。更重要的是,结果表明,即使假设使用默认设置,该方法也能产生良好的结果,使其完全适用于非专业用户和商业软件。

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74S99型 固体力学中的数值方法和其他方法
65层10 线性系统的迭代数值方法
74B05型 经典线性弹性
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参考文献:

[1] Li,J.等人。;撒哈拉,A。;Koric,S。;Ostoja-Starzewski,M.,《三维随机材料中的弹塑性转变:大规模并行模拟、分形形态发生和尺度函数》,Phil.Mag.,92,22,2733-2758(2012)
[2] Pavarino,L。;Scacchi,S。;Zampini,S.,非线性心脏力学的Newton-Krylov-BDDC解算器,计算。方法应用。机械。工程,295,562-580(2015)·Zbl 1423.74913号
[3] 张,X。;Oate,E。;托雷斯,S.A.G。;布莱尔,J。;Krabbenhoft,K.,固体和流体动力学的统一拉格朗日公式及其对海底滑坡及其后果建模的可能性,Comput。方法应用。机械。工程,343,314-338(2019)·Zbl 1440.74131号
[4] 北卡罗来纳州迪亚拉米。;Chiumenti,M。;Cervera,M。;Agelet de Saracibar,C.,《搅拌摩擦焊接过程的热力学分析挑战》,Arch。计算。方法工程,24,1,189-225(2017)·Zbl 1360.74044号
[5] 王,G。;王,Y。;卢·W。;Yu,M。;王川,官地混凝土重力坝确定性三维地震损伤分析:案例研究,工程结构。,148263-276(2017)
[6] Koric,S。;Gupta,A.,petascale架构隐式有限元方法中的稀疏矩阵分解,计算。方法应用。机械。工程,302,281-292(2016)·Zbl 1425.65062号
[7] 棉花,R。;皮尔斯,C。;杨,P。;北卡罗来纳州科塔。;梁,A。;Bagchi,A。;Qidwai,S.,《开发几何精度高且适应性强的有限元头部模型以进行碰撞模拟:海军研究实验室——简单头部模型,计算》。方法生物技术。生物识别。工程,19,1,101-113(2016)
[8] 长谷川,M。;阿达奇,T。;Takano-Yamamoto,T.,使用基于CT图像的体素有限元模型和水平集方法对正畸牙齿移动进行计算机模拟,计算。方法生物技术。生物识别。工程师,19,5,474-483(2016)
[9] 信托人,T.J。;Masud,A.,组织工程中多组分固体密度和体积增长的统一混合物配方,计算。方法应用。机械。工程师,314222-268(2017)·Zbl 1439.74094号
[10] 张,C。;李,N。;Wang,W。;比尼恩达,W.K。;Fang,H.,使用三维细观有限元模型对三轴编织复合材料进行渐进损伤模拟,Compos。结构。,125, 104-116 (2015)
[11] 周,R。;宋,Z。;Lu,Y.,混凝土三维细观有限元建模,计算。结构。,192, 96-113 (2017)
[12] Mazzucco,G。;达安蒂诺,T。;佩莱格里诺,C。;Salomoni,V.,《使用中尺度方法对无机-矩阵复合材料进行三维有限元建模》,复合材料B,143,75-85(2018)
[13] 帕尔科维奇,S.D。;Kupwade-Patil,K。;叶,S。;Büyüköztürk,O.,硬化水泥浆微观结构的粘摩擦相互作用的随机场有限元模型,J.Mech。物理学。固体,119349-368(2018)
[14] 巴拉泽蒂,L。;班菲,F。;布鲁马纳,R。;Gusmeroli,G。;Oreni,D。;普雷维塔利,M。;Roncroni,F。;Schiantarelli,G.,《激光云和有限元分析的BIM:结合结构分析和几何复杂性》,ISPRS-《国际建筑科学》。摄影测量,遥感空间信息科学。,XL-5/W4,345-350(2015)
[15] 施耐德,K。;Klusemann,B。;Bargmann,S.,《基体夹杂复合材料周期性代表体积元的自动三维几何和网格生成》,高级工程软件。,99, 177-188 (2016)
[16] Youssef,S。;Maire,E。;Gaertner,R.,《X射线断层成像确定的细胞材料实际结构的有限元建模》,《材料学报》。,53, 3, 719-730 (2005)
[17] 黄,Y。;杨,Z。;Ren,W。;刘,G。;Zhang,C.,基于损伤塑性模型的原位X射线计算机断层扫描图像的混凝土三维中尺度断裂建模和验证,Int.J.Solids Struct。,67-68, 340-352 (2015)
[18] Sencu,R。;杨,Z。;王,Y。;威瑟斯,P。;Rau,C。;帕森,A。;Soutis,C.,《从同步辐射x射线CT图像生成多向碳纤维增强复合材料的微观有限元模型》,复合材料A,91,85-95(2016)
[19] Wu,L。;Xiao,X。;温,Y。;Zhang,J.,同步加速器X射线断层扫描重建镍锰钴基半电池中应力产生的三维有限元研究,J.电源,336,8-18(2016)
[20] 比卡斯,H。;斯塔夫罗普洛斯,P。;Chryssolouris,G.,《添加剂制造方法和建模方法:批判性评论》,《国际先进制造技术》。,83, 1, 389-405 (2016)
[21] 陈,Q。;吉列莫特,G。;甘丹,C.-A。;Bellet,M.,陶瓷材料选择性激光熔化添加剂制造的三维有限元热力学建模,Addit。制造,16,124-137(2017)
[22] Gouge,M。;Michaleris,P。;Denlinger,E。;Irwin,J.,第2章-添加剂制造过程热机械建模的有限元方法,(Gouge,M.;Michaleris,P.,Addit.Manuf.(2018)的热机械建模,Butterworth-Heinemann),19-38
[23] Saad,Y.,ILUT:双阈值不完全LU因子分解,Numer。线性代数。,1,4387-402(1994年)·Zbl 0838.65026号
[24] 林,C。;Mor,J.,记忆有限的不完全cholesky因子分解,SIAM J.Sci。计算。,21, 1, 24-45 (1999) ·兹伯利0941.65033
[25] Benzi,M.,《大型线性系统的预处理技术:综述》,J.Compute。物理。,182,2418-477(2002),网址http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021999102971767 ·Zbl 1015.65018号
[26] Benzi,M。;Meyer,医学博士。;Tůma,M.,共轭梯度法的稀疏近似逆预条件,SIAM J.Sci。计算。,17、5、1135-1149(1996),网址https://doi.org/10.1137/S106482759427142 ·Zbl 0856.65019号
[27] Tang,W.,关于一个有效的稀疏近似逆预条件,SIAM J.矩阵分析。申请。,20、4、970-986(1999),网址https://doi.org/10.1137/S0895479897320071 ·Zbl 0937.65056号
[28] Huckle,T.,预处理的分解稀疏近似逆,J.超级计算机。,2109-117(2003),网址https://doi.org/10.1137/S0895479897320071 ·Zbl 1027.65056号
[29] 贾纳,C。;Ferronato,M。;萨托雷托,F。;Gambolia,G.,FSAIPACK:一个用于高性能因子稀疏近似逆预处理的软件包,ACM-Trans。数学。软件,41,2,10:1-10:26(2015),URLhttp://doi.acm.org/10.1145/2629475 ·兹比尔1369.65052
[30] Dolean,V。;Jolivet,P。;Nataf,F.,《区域分解方法简介:算法、理论和并行实现》(2015),SIAM,URLhttps://hal.inia.fr/cel-01100932v3/document ·Zbl 1364.65277号
[31] Zampini,S.,PCBDDC:PETSc中的一类稳健双精度方法,SIAM J.Sci。计算。,38,5,S282-S306(2016),网址https://doi.org/10.1137/15M1025785 ·Zbl 1352.65632号
[32] 巴迪亚,S。;马汀,A.F。;Principe,J.,《极端规模下的多级平衡区域分解》,SIAM J.Sci。计算。,38,1,C22-C52(2016),网址https://doi.org/10.1137/15M1013511 ·Zbl 1334.65217号
[33] 李,R。;Saad,Y.,代数区域分解预条件的低秩校正方法,SIAM J.矩阵分析。申请。,38、3、807-828(2017),网址https://doi.org/10.1137/16M110486X ·Zbl 1371.65029号
[34] Stüben,K.,代数多重网格(AMG):经验与比较,应用。数学。计算。,13、3-4、419-451(1983),网址http://dx.doi.org/10.1016/0096-3003(83)90023-1·Zbl 0533.65064号
[35] Brandt,A.,代数多重网格理论:对称情况,应用。数学。计算。,19、1-4、23-56(1986),网址http://dx.doi.org/10.1016/0096-3003(86)90095-0 ·Zbl 0616.65037号
[36] Vaněk,P.,利用平滑转移算子加速两级算法的收敛,应用。数学。(布拉格),37,265-274(1992),URLhttps://eudml.org/doc/15715 ·Zbl 0773.65021号
[37] 范·克,P。;曼德尔,J。;Brezina,M.,二阶和四阶椭圆问题的平滑聚合代数多重网格,计算,56,3,179-196(1996),URLhttps://doi.org/10.1007/BF02238511 ·Zbl 0851.65087号
[38] 布雷齐纳,M。;克利里·A·J。;R·D·法尔古特。;亨森,V.E。;Jones,J.E。;Manteuffel,T.A。;McCormick,S.F。;Ruge,J.W.,基于元素插值的代数多重网格(AMGe),SIAM J.Sci。计算。,22、5、1570-1592(2001),网址https://doi.org/10.1137/S1064827598344303 ·兹比尔0991.65133
[39] 亨森,V.E。;Vassilevski,P.S.,《无元素AMGe:AMG中计算插值权重的通用算法》,SIAM J.Sci。计算。,23、2、629-650(2001),网址https://doi.org/10.1137/S1064827500372997 ·Zbl 0992.65141号
[40] Chartier,T。;R·D·法尔古特。;亨森,V.E。;Jones,J。;曼特菲尔,T。;McCormick,S。;Ruge,J。;Vassilevski,P.S.,光谱AMGe((\rho\)AMGe),SIAM科学杂志。计算。,25、1、1-26(2003),网址https://doi.org/10.1137/S106482750139892X ·兹比尔1057.65096
[41] 布雷齐纳,M。;法尔古特,R。;麦克拉克伦,S。;曼特菲尔,T。;McCormick,S。;Ruge,J.,《自适应平滑聚合(alpha)sa)多重网格》,SIAM Rev.,47,2,317-346(2005),URLhttps://doi.org/10.1137/050626272 ·Zbl 1075.65042号
[42] Brandt,A。;Brannick,J。;Kahl,K。;Livshits,I.,Bootstrap AMG,SIAM J.科学。计算。,33、2、612-632(2011),网址https://doi.org/10.1137/090752973 ·Zbl 1227.65120号
[43] Brandt,A。;Brannick,J。;Kahl,K。;Livshits,I.,Bootstrap代数多重网格:状态报告、开放问题和展望,Numer。数学。:理论方法应用。,81112135(2015),网址https://doi.org/10.4208/nmtma.2015.w06si ·Zbl 1340.65289号
[44] 夫人,P。;Filippone,S。;Vassilevski,P.S.,Bootcmatch:基于图加权匹配的引导AMG软件包,ACM Trans。数学。软件,44,4,39:1-39:25(2018),URLhttp://doi.acm.org/10.1145/3190647 ·Zbl 1484.65059号
[45] 徐,J。;Zikatanov,L.,代数多重网格方法,《数值学报》。,26,591721(2017),网址http://dx.doi.org/10.1017/S0962492917000083 ·Zbl 1378.65182号
[46] Yoo,J.,线性弹性中Galerkin最小二乘法的多重网格,J.Math。分析。申请。,286、1、326-339(2003),网址http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022247X0300516X ·Zbl 1160.74420号
[47] 格里贝尔,M。;Oeltz,D。;Schweitzer,M.,线性弹性的代数多重网格方法,SIAM J.Sci。计算。,25, 2, 385-407 (2003) ·Zbl 1163.65336号
[48] 贝克,A.H。;科列夫,T.V。;Yang,U.M.,改进线性弹性问题的代数多重网格插值算子,数值。线性代数。,17、2-3、495-517(2010),网址https://doi.org/10.1002/nla.688 ·Zbl 1240.74027号
[49] Paludetto Magri,V。;弗朗西斯科尼,A。;Janna,C.,一种新的基于自适应平滑和扩展的病态系统代数多重网格方法,SIAM J.Sci。计算。,41、1、A190-A219(2019)·兹比尔1433.65069
[50] R·D·法尔古特。;Yang,U.M.,Hypre:高性能预处理器库,(国际计算科学会议论文集第三部分,国际计算科学大会论文集第3部分,ICCS’02(2002),Springer-Verlag:Springer-Verlag Berlin,Heidelberg),632-641,URLhttp://dl.acm.org/citation.cfm?id=645459.653635 ·Zbl 1056.65046号
[51] S.Balay,S.Abhyankar,M.F.Adams,J.Brown,P.Brune,K.Buschelman,L.Dalcin,V.Eijkhout,W.D.Gropp,D.Kaushik,M.G.Knepley,D.A.May,L.C.McInnes,R.T.Mills,T.Munson,K.Rupp,P.Sanan,B.F.Smith,S.Zampini,H.Zhang,H.张,PETSc用户手册,技术报告ANL-95/11-修订版3.10,阿贡国家实验室,2018,URL。;S.Balay,S.Abhyankar,M.F.Adams,J.Brown,P.Brune,K.Buschelman,L.Dalcin,V.Eijkhout,W.D.Gropp,D.Kaushik,M.G.Knepley,D.A.May,L.C.McInnes,R.T.Mills,T.Munson,K.Rupp,P.Sanan,B.F.Smith,S.Zampini,H.Zhang,H.张,PETSc用户手册,技术报告ANL-95/11-修订版3.10,阿贡国家实验室,2018,URL。
[52] 亚当斯,M。;布雷齐纳,M。;胡,J。;Tuminaro,R.,《并行多重网格平滑:多项式与高斯赛德尔》,J.Compute。物理。,188、2、593-610(2003),网址http://dx.doi.org/10.1016/S0021-9991(03)00194-3 ·Zbl 1022.65030号
[53] 贝克,A。;法尔古特,R。;科列夫,T。;Yang,U.,超并行计算的多重网格平滑器,SIAM J.Sci。计算。,33, 5, 2864-2887 (2011) ·Zbl 1237.65032号
[54] 范·克,P。;布雷齐纳,M。;Mandel,J.,基于平滑聚合的代数多重网格收敛,Nummath。,第88页,第3页,第559-579页(2001年)·Zbl 0992.65139号
[55] Adams,M.,固体力学中三维有限元问题的三种非结构化多重网格方法评估,国际。J.数字。方法工程,55,5,519-534(2002)·Zbl 1076.74547号
[56] Farhat,C。;Roux,F.-X.,有限元撕裂和互连方法及其并行求解算法,国际。J.数字。方法工程,32,6,1205-1227(1991),URLhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/nme.1620320604 ·Zbl 0758.65075号
[57] 徐,J。;Zou,J.,《一些非重叠区域分解方法》,SIAM Rev.,40,4,857-914(1998)·兹比尔0913.65115
[58] Farhat,C。;Pierson,K。;Lesoinne,M.,第二代FETI方法及其在大规模线性和几何非线性结构分析问题并行求解中的应用,计算。方法应用。机械。工程,184,2,333-374(2000)·Zbl 0981.74064号
[59] Frank,J。;Vuik,C.,《基于通缩的预条件的构建》,SIAM J.Sci。计算。,23, 2, 442-462 (2001) ·Zbl 0997.65072号
[60] Jonsthovel,T。;van Gijzen,医学学士。;Vuik,C。;Scarpas,A.,《关于压缩预处理共轭梯度法中刚体模态的使用》,SIAM J.Sci。计算。,35,1,B207-B225(2013),网址https://doi.org/10.1137/100803651 ·Zbl 1372.74017号
[61] 巴乔·R。;弗朗西斯科尼,A。;斯皮齐亚,N。;Janna,C.,离散结构问题求解中预处理共轭梯度的刚体模态收缩,计算。结构。,185, 15-26 (2017)
[62] Longsine,D。;McCormick,S.,(Ax=\lambda Bx\)的同步rayleigh-商最小化方法,线性代数应用。,34195-234(1980年),网址http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0024379580901664 ·Zbl 0475.65021号
[63] Bergamaschi,L。;安大略省马丁内斯。;Pini,G.,求解稀疏特征值问题的瑞利商并行预处理共轭梯度优化,应用。数学。计算。,175,2,1694-1715(2006),网址http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0096300305007320 ·Zbl 1093.65036号
[64] Bergamaschi,L。;阿拉巴马州马丁内斯。;Pini,G.,基于FSAI预处理的并行瑞利商优化,J.Appl。数学。,2012 (2012) ·Zbl 1244.65043号
[65] Ferronato,M。;贾纳,C。;Pini,G.,利用块FSAI预处理高效并行求解大型稀疏特征值问题,Numer。线性代数。,19, 5, 797-815 (2012) ·Zbl 1274.65106号
[66] Yang,U.M.,并行代数多重网格方法-高性能预处理器,(并行计算机上偏微分方程的数值解(2006),施普林格-柏林-海德堡:施普林格-柏林-海德堡-柏林,海德堡),209-236,URLhttps://doi.org/10.1007/3-540-31619-1_6 ·Zbl 1097.65125号
[67] O.E.利夫内。;Brandt,A.,《精益代数多重网格(LAMG):快速图拉普拉斯线性求解器》,SIAM J.Sci。计算。,34、4、B499-B522(2012),网址https://doi.org/10.1137/10843563 ·Zbl 1253.65045号
[68] Golub,G。;Van Loan,C.,(矩阵计算,矩阵计算,约翰霍普金斯数学科学研究(2013),约翰霍普金斯大学出版社),URLhttps://books.google.it/books?id=X5YfsuCWpxMC ·Zbl 1268.65037号
[69] R·D·法尔古特。;Schroder,J.B.,代数多重网格的非高斯粗糙网格,SIAM J.Sci。计算。,36、3、C309-C334(2014)·Zbl 1297.65035号
[70] Fontanella,C。;马泰奥利,S。;Carniel,E。;Wilhjelm,J。;Virga,A。;科尔维,A。;Natali,A.,《人体健康脚后跟垫的载荷-位移曲线研究:体内压缩数据与数值结果的比较》,医学工程物理。,34、9、1253-1259(2012),网址http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135453311003274
[71] T.Kolev,V.Dobrev,MFEM:模块化有限元方法库,[计算机软件],2010,。;T.Kolev,V.Dobrev,MFEM:模块化有限元方法库,【计算机软件】,2010年,。
[72] Logg,A。;Wells,G.N.,DOLFIN:自动化有限元计算,ACM Trans。数学。软件,37,2,20:1-20:28(2010),URLhttp://doi.acm.org/10.1145/1731022.1731030 ·Zbl 1364.65254号
[73] Mazzucco,G。;波马罗,B。;所罗门五世。;Majorana,C.,椭球状包裹体的数值模拟,Constr。构建。材料。,167、317-324(2018),网址http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061818301843
[74] Koric,S。;卢奇。;Guleryuz,E.,非结构化有限元网格上大规模并行线性稀疏解算器的评估,计算。结构。,141, 19-25 (2014)
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