×

MATLAB中连续和不连续Galerkin方法的快速非线性有限元分析。 (英语) Zbl 1443.65362号

概要:MATLAB擅长开发简洁的有限元(FE)例程,但通常认为它对于高保真分析来说效率太低。本文旨在通过为连续Galerkin(CG)方法和非连续Galergin(DG)方法提出两个优化的有限元代码来挑战这一先入之见。尽管这一点以前已经在线性弹性问题中实现,但目前还不存在此类优化的MATLAB脚本,其中包括材料非线性的影响。为了纳入这些弹塑性效应,将外部施加的荷载分解为离散的荷载步数。使用牛顿-拉斐逊法,在每个荷载步处确定外部施加的荷载和产生的内力之间的平衡。
脚本的优化主要是通过使用矢量化块算法实现的,该算法最大限度地减少了RAM到缓存的开销,并最大限度地提高了缓存的重用。与对应的未优化脚本相比,优化代码分别为CG和DG产生了最大速度增益\(25.7倍)和\(10.1倍)。结果表明,随着网格的不断细化,解算器时间开始支配整个模拟时间。这个瓶颈在DG代码上有一个更大的缺点,主要是由于全局刚度矩阵的不对称性。高效求解器的实现将进一步改善总体运行时间,尤其是对于大型问题。

MSC公司:

65N30型 含偏微分方程边值问题的有限元、Rayleigh-Ritz和Galerkin方法
74C05型 小应变率相关塑性理论(包括刚塑性和弹塑性材料)
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: DOI程序

参考文献:

[1] Moler,C.,MATLAB合并LAPACK(2000),http://uk.mathworks.com/company/newsletters/articles/matlab-incorporates-lapack.html?refresh=true。(2018年9月访问)
[2] 达布罗夫斯基,M。;Krotkiewski,M。;Schmid,D.W.,MILAMIN:基于MATLAB的大型问题有限元方法求解器,Geochem。地球物理学。地理系统,9(2008)
[3] Davis,T.,Suite Sparse(2013),http://faulty.cse.tamu.edu/davis/research.html。(2018年9月访问)
[4] 伯德·R。;库姆斯,W。;Giani,S.,用于SIPG线性弹性的快速原生MATLAB刚度组件,计算。数学。申请。,74, 3209-3230 (2017) ·Zbl 1397.65251号
[5] 克罗特凯夫斯基,M。;Dabrowski,M.,《标量多核CPU上的并行对称稀疏矩阵–矢量积》,并行计算。,36, 181-198 (2010) ·Zbl 1204.68045号
[6] 拉赫曼,T。;Valdman,J.,《二维和三维有限元矩阵的快速MATLAB汇编:节点元素》,应用。数学。计算。,2197151-7158(2013),2010年6月21日至25日在皮尔森举行的ESCO 2010年会议·Zbl 1288.65169号
[7] 安杰姆,I。;Valdman,J.,《二维和三维有限元矩阵的快速MATLAB汇编:边缘元素》,应用。数学。计算。,267、252-263(2015),第四届欧洲计算机研讨会(ESCO 2014)·Zbl 1410.65441号
[8] 安德烈森,E。;克劳森,A。;Schevenels,M。;拉扎罗夫,B.S。;Sigmund,O.,使用88行代码在MATLAB中进行高效拓扑优化,结构。多磁盘。最佳。,43, 1-16 (2011) ·Zbl 1274.74310号
[9] Cuvelier,F。;贾普特,C。;Scarella,G.,《用向量语言组装有限元矩阵的有效方法》,BIT,56,1-32(2015),引文2
[10] Adamuszek,M。;达布罗夫斯基,M。;Schmid,D.W.,文件夹:一种模拟层状介质中结构发展的数值工具,J.Struct。地质。,84, 85-101 (2016)
[11] 安斯沃思,M。;Rankin,R.,具有悬挂节点的局部精细网格上非均匀阶间断Galerkin有限元近似的恒定无误差界,IMA J.Numer。分析。,31, 254-280 (2011) ·Zbl 1208.65156号
[12] W.Coombs,R.Crouch,C.Augarde,70行三维有限变形弹塑性有限元代码,收录于:Proc。岩土工程数值方法,挪威特隆赫姆NUMGE,2010年,第151-156页。;W.Coombs,R.Crouch,C.Augarde,70行三维有限变形弹塑性有限元代码,收录于:Proc。《岩土工程数值方法》,NUMGE,挪威特隆赫姆,2010年,第151-156页。
[13] von Mises,R.,Mechanik der festen Körper im plasticsh-deformblen Zustand,Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen,数学-Physikalische Klass,1913年,582-592年(1913年)
[14] 萨法伊,M。;Lee,M.G.先生。;Waele,W.D.,基于关联和非关联流动规则的弹塑性本构模型的应力积分算法评估,计算。方法应用。机械。工程,295414-445(2015)·兹比尔1423.74158
[15] Krieg,R。;Krieg,D.,《弹塑性模型数值求解方法的精确度》,J.Press。容器技术。,99, 510-515 (1977)
[16] Anandarajah,A.,《弹性和塑性计算方法:固体和多孔介质》(2010),施普林格出版社·Zbl 1211.74001号
[17] Ilyushin,A.A.,塑性变形理论中的一些问题,Prikl。马特·梅赫。,245-272 (1943) ·Zbl 0063.02959号
[18] Mendelson,A.,《塑性:理论与应用》(1968年),麦克米伦公司:纽约麦克米伦有限公司
[19] Nayak,G。;Zienkewicz,O.,弹塑性应力分析。各种本构关系的推广,包括应变软化,Internat。J.数字。方法工程,5,113-135(1972)·Zbl 0241.73034号
[20] 弗尔·M。;哈利洛维奇,M。;Štok,B.,《改进塑性显式积分》,国际。J.数字。方法工程,81,910-938(2010)·Zbl 1183.74349号
[21] Wilkins,M.,《弹塑性流动的计算》(Fernback,S.;Rotenberg,M.),《计算物理方法》,第3卷(1964年),学术出版社:纽约学术出版社)
[22] 奥尔蒂斯,M。;Popov,E.,弹塑性本构关系积分算法的准确性和稳定性,国际。J.数字。方法工程,211561-1576(1985)·Zbl 0585.73057号
[23] Simo,J.C。;Ortiz,M.,基于超弹性本构方程的有限变形弹塑性分析的统一方法,计算。方法应用。机械。工程,49,221-245(1985)·Zbl 0566.73035号
[24] Kojić,M.,各向同性和正交异性金属粘塑性本构关系隐式积分的控制参数法,计算。机械。,19, 49-57 (1996) ·Zbl 0889.73018号
[25] Kojić,M.,有限元法中非弹性材料模型的应力积分程序,应用。机械。修订版,55,389-414(2002)
[26] Kojić,M。;Bathe,K.,《固体和结构的非弹性分析》(2005),施普林格-柏林-海德堡-纽约
[27] 库姆斯,W.M。;克劳奇,R.S。;Augarde,C.E.,Reuleaux塑性:分析后向欧拉应力积分和一致切线,计算。方法应用。机械。工程,1991733-1743(2010)·Zbl 1231.74054号
[28] 库姆斯,W.M。;Crouch,R.S.,《非关联Reuleaux塑性:有限变形力学的分析应力积分和一致切线》,计算。方法应用。机械。工程,2001021-1037(2011)·Zbl 1225.74019号
[29] 克劳奇,R。;Askes,H。;Li,T.,能量映射应力空间中的分析CPP:应用于修改的Drucker-Prager屈服面,计算。方法应用。机械。工程,198,853-859(2009)·Zbl 1229.74014号
[30] 库姆斯,W.M。;Petit,O.A。;Motlagh,Y.G.,NURBS塑性:各向同性非弹性的屈服面表示和隐式应力积分,计算。方法应用。机械。工程,304,342-358(2016)·Zbl 1425.74022号
[31] 库姆斯,W.M。;Motlagh,Y.G.,NURBS塑性:各向同性硬化的屈服面演化和隐式应力积分,计算。方法应用。机械。工程,324204-220(2017)·Zbl 1439.74060号
[32] 库姆斯,W.M。;Motlagh,Y.G.,NURBS塑性:非关联塑性流,计算。方法应用。机械。工程,336419-443(2018)·Zbl 1440.74080号
[33] Crisfield,M.,(固体和结构的非线性有限元分析。固体和结构非线性有限元素分析,Essentials,vol.1(1991),John Wiley&Sons Ltd)·Zbl 0809.73005号
[34] Simo,J.C。;Hughes,T.J.R.,计算非弹性(1998),Springer:Springer纽约·Zbl 0934.74003号
[35] 魏,Z。;佩里奇,D。;Owen,D.R.J.,Prandtl-Reuss非硬化弹塑性模型精确应力更新的一致线性化,国际。J.数字。方法工程,39,1219-1235(1996)·Zbl 0865.73011号
[36] Szabó,L.,线性各向同性硬化塑性J2流动理论的半分析积分方法,计算。方法应用。机械。工程师,1982151-2166(2009)·Zbl 1227.74117号
[37] Kossa,A。;Szabó,L.,von Mises弹塑性模型与组合线性各向同性运动硬化的精确积分,Int.J.Plast。,25, 1083-1106 (2009) ·Zbl 1163.74007号
[38] Kossa,A。;Szabó,L.,具有组合线性硬化的von Mises弹塑性模型的新型精确应力积分方案的数值实现,有限元。分析。设计。,46, 391-400 (2010)
[39] Loret,B。;Prevostí,J.,Drucker-Prager弹塑性模型的精确数值解,计算。方法应用。机械。工程,54,259-277(1986)·Zbl 0579.73025号
[40] Nagtegaal,J.,关于非弹性本构方程的实现,特别是大变形问题,计算。方法应用。机械。工程,33,469-484(1982)·Zbl 0492.73077号
[41] Simo,J.C。;Taylor,R.L.,速率相关弹塑性的一致切线算子,计算。方法应用。机械。工程,48,101-118(1985)·Zbl 0535.73025号
[42] 杜雷茨,T。;Souche,A。;d.博斯特,R。;Pourhiet,L.L.,《在地球动力学粘弹塑性计算中使用一致切线算子的好处》,Geochem。地球物理学。地理系统,194904-4924(2018)
[43] Nagtegaal,J.等人。;Parks,D。;Rice,J.,关于全塑性范围内数值精确的有限元解,计算。方法应用。机械。工程,4153-177(1974)·Zbl 0284.73048号
[44] 伯德·R。;库姆斯,W。;Giani,S.,脆性材料的准静态非连续Galerkin构形力裂纹扩展方法,国际。J.数字。方法工程,1131061-1080(2018)
[45] 伯德·R·E。;库姆斯,W.M。;Giani,S.,线性弹性的后验间断Galerkin误差估计,应用。数学。计算。,344-345, 78-96 (2019) ·Zbl 1428.74201号
[46] Dawson,C。;孙,S。;Wheeler,M.F.,耦合流和传输的兼容算法,计算。方法应用。机械。工程,193,2565-2580(2004)·兹比尔1067.76565
[47] 刘,R。;惠勒,M。;Dawson,C。;Dean,R.,速率相关塑性问题的快速收敛保速率间断Galerkin框架,计算。方法应用。机械。工程,199,3213-3226(2010)·Zbl 1225.74096号
[48] 刘,R。;惠勒,M.F。;Yotov,I.,关于有限弹塑性非连续Galerkin方法的空间公式,计算。方法应用。机械。工程,253219-236(2013)·Zbl 1297.74121号
[49] Hansbo,P。;Larson,M.G.,线性弹性问题间断Galerkin近似的能量范数后验误差估计,计算。方法应用。机械。工程,200,3026-3030(2011)·Zbl 1230.74179号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。