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非线性共轭梯度法的动力学观点及其在基于FFT的计算微观力学中的应用。 (英语) Zbl 1464.74376号

摘要:对于基于快速傅里叶变换(FFT)的计算微观力学,解算器需要快速、高效、独立于繁琐的参数校准。在这项工作中,我们研究了基于FFT的计算微观力学背景下非线性共轭梯度(CG)方法的优点。传统上,非线性CG方法需要专用的线搜索程序才能有效,因此在基于FFT的环境中,它们没有竞争力。我们利用非线性CG方法和加速梯度方法之间的相似性,为不需要线搜索的非线性CG法做出贡献。更准确地说,通过让步长为零,我们将Fletcher-Reeves非线性CG展示为具有状态相关非线性阻尼的动力系统。我们展示了如何在基于FFT的计算微观力学中实现非线性CG方法,并通过数值实验证明,Fletcher-Reeves非线性CG代表了线性和非线性均匀化问题的一种竞争性、记忆效率高且无参数选择的解方法,此外,单调地减少残差。

MSC公司:

74平方米 谱及相关方法在固体力学问题中的应用
74M25型 固体微观力学
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全文: 内政部

参考文献:

[1] 穆利内克,H。;Suquet,P.,计算复合材料线性和非线性力学性能的快速数值方法,C R Acad Sci SéR II,318,11,1417-1423(1994)·Zbl 0799.73077号
[2] 穆利内克,H。;Suquet,P.,《计算复杂微观结构非线性复合材料整体响应的数值方法》,《计算方法应用机械工程》,15769-94(1998)·兹比尔0954.74079
[3] 弗里戈,M。;Johnson,SG,FFTW3的设计与实现,Proc IEEE,93,216-231(2005)
[4] 马图什,K。;Geers,MGD;库兹涅佐娃,VG;Gillman,A.,《异质材料多尺度建模预测非线性理论综述》,《计算物理杂志》,330192-220(2017)
[5] 斯帕恩,J。;安德拉,H。;卡贝尔,M。;Müller,R.,《使用快速傅里叶变换对复合材料专业损伤建模的多尺度方法》,《计算方法应用机械工程》,268871-883(2014)·Zbl 1295.74006号
[6] 米歇尔,JC;Suquet,P.,非均匀变换场分析,国际固体结构杂志,406937-6955(2003)·兹比尔1057.74031
[7] Fritzen,F。;Leuschner,M.,基于混合增量公式的缩减基混合计算均匀化,计算方法应用机械工程,260,143-154(2013)·Zbl 1286.74081号
[8] Köbler,J。;Schneider,M。;Ospald,F.公司。;安德雷,H。;Müller,R.,《短纤维增强复合材料零件多尺度分析的纤维方向插值》,《计算力学》,61,6,729-750(2018)·Zbl 1446.74024号
[9] 刘,Z。;吴,CT;Koishi,M.,用于异质材料多尺度拓扑学习和加速非线性建模的深层材料网络,计算方法应用机械工程,3451138-1168(2019)·Zbl 1440.74340号
[10] 刘,Z。;Wu,C.,探索数据驱动多尺度力学中深层材料网络的三维结构,机械物理固体杂志,127,20-46(2019)·Zbl 1477.74006号
[11] 北卡罗来纳州拉赫列克。;J.C.米歇尔。;穆利内克,H。;Suquet,P.,《使用快速傅里叶变换分析大应变下的非均匀材料》,IUTAM大应变下固体材料计算力学研讨会,247-258(2003),多德雷赫特:荷兰施普林格·Zbl 1039.74040号
[12] 艾森洛尔,P。;Diehl,M。;勒本松,RA;Roters,F.,有限应变下晶体弹塑性的光谱法解,国际石膏杂志,46,37-53(2013)
[13] 宾纳,SB;Hu,SY,《复合材料损伤演化模拟:相场模型》,《材料学报》,572088-2097(2009)
[14] Sharma,L。;皮尔林,RHJ;Shantraj,P。;转子,F。;Geers,MGD,使用梯度损伤方法进行界面脱粘建模的基于FFT的谱解算器,计算力学,65,925-939(2020)·Zbl 1468.74080号
[15] 卢卡里尼,S。;Seguarado,J.,《基于微观力学的疲劳升级方法:从RVE到试样和部件寿命预测》,国际分形杂志,223,93-108(2020)
[16] Schneider,M.,基于FFT的微结构加权最小表面计算方法及其在脆性断裂计算均匀化中的应用,国际数值方法工程,1211367-1387(2020)
[17] 冯·伊奇,J。;Zeman,J。;Marek,I.,通过基于FFT的Galerkin方法保证均质特性的上下限,计算方法应用机械工程,297258-291(2015)·Zbl 1423.74806号
[18] Brisard,S。;Dormieux,L.,《基于FFT的复合材料力学方法:一般变分框架》,《计算材料科学》,49,3,663-671(2010)
[19] Brisard,S。;Dormieux,L.,将Galerkin近似技术与Hashin和Shtrikman原理相结合,导出一种新的基于FFT的复合材料均匀化数值方法,计算方法应用机械工程,217-220,197-212(2012)·Zbl 1253.74101号
[20] Schneider,M。;Merkert,D。;Kabel,M.,通过线性六面体单元离散的微观结构的基于FFT的均匀化,Int J Numer Methods Eng,109,1011461-1489(2017)·Zbl 1378.74056号
[21] Schneider,M。;Ospald,F。;Kabel,M.,交错网格上弹性的计算均匀化,Int J Numer Methods Eng,105,9,693-720(2016)
[22] Willot,F.,计算具有精确局部场的复合材料力学响应的基于傅立叶的方案,C R MéC,343,3232-245(2015)
[23] 多恩,C。;Schneider,M.,Lippmann-Schwinger求解热计算均匀化问题的显式跳跃离散化,国际数值方法工程杂志,118,11,631-653(2019)
[24] 图,F。;焦,Y。;周,X。;Cheng,Y。;Tan,F.,复合材料均匀化的基于Hashin和Shtrikman变分原理的FFT方法的B样条实现,国际固体结构杂志,191-192,133-145(2019)
[25] 艾尔,DJ;Milton,GW,使用网格细化计算复合材料响应的快速数值方案,《欧洲物理杂志应用物理》,6,1,41-47(1999)
[26] 米歇尔,JC;穆利内克,H。;Suquet,P.,具有任意相位对比度的线性和非线性复合材料的计算方案,国际数值方法工程杂志,52,139-160(2001)
[27] 蒙切特,V。;Bonnet,G.,用于计算具有任意对比度的弹性复合材料有效性能的基于偏振的FFT迭代方案,国际J数值方法工程,89,1419-1436(2012)·Zbl 1242.74197号
[28] 穆利内克,H。;Silva,F.,计算复合材料机械响应的三种基于FFT的加速方案的比较,国际数值方法工程,97,960-985(2014)·Zbl 1352.74223号
[29] Schneider,M。;维希特,D。;Böhlke,T.,《关于基于FFT的非弹性材料计算均匀化的偏振方案》,《计算力学》,64,4,1073-1095(2019)·Zbl 1465.74177号
[30] 道格拉斯,J。;Rachford,HH,关于两个和三个空间变量中热传导问题的数值解,Trans-Am Math Soc,82,421-439(1956)·Zbl 0070.35401号
[31] Zeman,J。;冯·伊奇,J。;Novak,J。;Marek,I.,《利用共轭梯度加速基于FFT的周期介质数值均匀化求解器》,《计算物理杂志》,229,21,8065-8071(2010)·Zbl 1197.65191号
[32] 佩奇,CC;Saunders,MA,稀疏不定线性方程组的求解,SIAM J Numer Ana,12,4,617-629(1975)·Zbl 0319.65025号
[33] Gélébart,l。;Mondon-Cancel,R.,通过共轭梯度加速的基于FFT的方法的非线性扩展,以评估复合材料的力学行为,计算机材料科学,77,430-439(2013)
[34] 卡贝尔,M。;Böhlke,T。;Schneider,M.,《基于FFT的大变形弹性均匀化的高效不动点和Newton-Krylov解算器》,《计算力学》,54,6,1497-1514(2014)·Zbl 1309.74013号
[35] 维希特,D。;Schneider,M。;Böhlke,T.,《基于FFT的微观力学中的准牛顿方法》,国际数值方法工程杂志,1211665-1694(2020)
[36] Schneider,M.,弹性和非弹性单位细胞均匀化问题的基于FFT的快速梯度法,计算方法应用机械工程,315846-866(2017)·兹比尔1439.74505
[37] Ernesti,F。;Schneider,M。;Böhlke,T.,异质微结构相场断裂问题的快速隐式求解器,计算方法应用机械工程,363112793(2020)·兹比尔1436.74062
[38] Shantraj等人。;艾森洛尔,P。;Diehl,M。;Roters,F.,异质材料晶体塑性模拟的数值稳健谱方法,国际塑料杂志,66,31-45(2015)
[39] Schneider,M.,《基于FFT的计算均匀化中的Barzilai-Borwein基本格式》,《国际数值方法工程杂志》,118482-494(2019)
[40] 弗莱彻,R。;Reeves,C.,共轭梯度函数最小化,计算J,7149-154(1964)·Zbl 0132.11701号
[41] 赫斯特内斯,M。;Stiefel,E.,解线性方程组的共轭梯度法,J Res Nat Bur Standards,49,409-436(1952)·Zbl 0048.09901号
[42] Nocedal,J。;Wright,SJ,《数值优化》(1999),柏林:施普林格出版社,柏林·Zbl 0930.65067号
[43] Polak,E。;Ribière,G.,Note sur la convergement de directions concugeées,Rev Fr Inf Rech Opert 3e Ann,16,35-43(1969)·Zbl 0174.48001号
[44] Polyak,BT,极值问题中的共轭梯度法,苏联计算数学数学物理,9,94-112(1969)·Zbl 0229.49023号
[45] 戴,YH;Yuan,Y.,一种具有强全局收敛性的非线性共轭梯度法,SIAM J Optim,10,1,177-182(1999)·Zbl 0957.65061号
[46] Polyak,BT,《加速迭代法收敛的一些方法》,苏联计算数学数学物理,4,5,1-17(1964)·Zbl 0147.35301号
[47] Polyak,BT,《优化导论》(1987),纽约:optimization Software,Inc,纽约·Zbl 0625.62093号
[48] Ghadimi E,Feyzmahdavian HR,Johansson M(2015)凸优化重锤法的全局收敛性。2015年欧洲控制会议(ECC),第310-315页
[49] Lessard,L。;Recht,B。;Packard,A.,通过积分二次约束分析和设计优化算法,SIAM J Optim,26,1,57-95(2016)·Zbl 1329.90103号
[50] Sun,J。;Zhang,J.,无线搜索共轭梯度法的全局收敛性,Ann Oper Res,103,161-173(2001)·Zbl 1014.90071号
[51] 鲍威尔,MJD;Griffiths,DF,非凸极小化计算和共轭梯度法,数学课堂讲稿,122-141(2009),柏林:Springer,柏林·Zbl 0531.65035号
[52] 吉尔伯特,J。;Nocedal,J.,共轭梯度优化方法的全局收敛性,SIAM J Optim,2,1,21-42(1992)·Zbl 0767.90082号
[53] Dai,Y.H。;Yuan,Y.,新共轭梯度法的一些性质,应用优化,251-262(1998),马萨诸塞州波士顿:Springer US,波士顿·Zbl 0914.90219号
[54] 哈格,WW;Zhang,H.,非线性共轭梯度方法综述,Pac J Optim,2,35-58(2006)·Zbl 1117.90048号
[55] 戴,Y。;Kou,C.,A Barzilai-Borwein共轭梯度法,科学中国数学,59,8,1511-1524(2016)·兹比尔1352.49031
[56] Broyden,CG,一类双秩最小化算法的收敛性:2。新算法,J Math Ana Appl,6222-231(1970)·Zbl 0207.17401号
[57] Fletcher,R.,《可变度量算法的新方法》,Compute J,13,317-322(1970)·Zbl 0207.17402号
[58] Goldfarb,D.,由变分平均值导出的一系列可变度量方法,《数学计算》,24,23-26(1970)·Zbl 0196.18002号
[59] Shanno,DF,函数最小化的拟Newton方法条件,数学计算,24647-650(1970)·Zbl 0225.65073号
[60] Nocedal,J.,用有限存储更新拟Newton矩阵,数学计算,35,151,773-782(1980)·Zbl 0464.65037号
[61] 刘,H。;Liu,Z.,无约束优化的高效Barzilai-Borwein共轭梯度法,《最优化理论应用》,180,879-906(2019)·Zbl 1409.49031号
[62] 赫尔姆克,美国。;Moore,J.,《优化与动力系统》(1996),柏林:施普林格出版社,柏林·Zbl 0943.93001号
[63] 扎夫里夫,S。;Kostyuk,F.,非凸优化问题中的重球方法,计算数学模型,4,4,336-341(1993)·Zbl 1331.90056号
[64] 孙道;尹鹏航;李东生;黄,春;关、雷;姜浩,重球算法的非退化收敛分析,AAAI人工智能会议论文集,33,5033-5040(2019)
[65] Siegel JW(2019)《加速一阶方法:微分方程和Lyapunov函数》,第1-17页。arXiv公司:1903.05671
[66] 戴,YH;Wang,Y。;杨,C。;Yagola,AG,非线性共轭梯度法的收敛性分析,计算逆问题的优化和正则化及其应用,1157-171(2011),柏林:施普林格出版社,柏林
[67] Nesterov,Y.,一种求解具有收敛速度的凸规划问题的方法\(O(1/k^2)\,Dokl Aka Nauk SSSR,269,3,543-547(1983)
[68] Nesterov,Y.,非光滑函数的平滑最小化,数学程序,103,127-152(2005)·Zbl 1079.90102号
[69] 苏·W。;博伊德,S。;Candes,大肠杆菌。;加赫拉马尼,Z。;韦林,M。;科尔特斯,C。;劳伦斯,N。;Weinberger,K.,《建模Nesterov加速梯度法的微分方程:理论和见解》,《神经信息处理系统进展》27,2510-2518(2014),纽约:Curran Associates Inc,纽约
[70] Nesterov,Y.,《关于凸优化的入门讲座:基础课程》(2004),Springer:Kluwer学术出版社,Springer·Zbl 1086.90045号
[71] Bhaya A,Kaszkurewicz E(2003)作为具有反馈控制的动态系统的迭代方法。第42届IEEE决策与控制国际会议,第3卷。IEEE,第2374-2380页
[72] 奥尔蒂斯,L。;Stainier,L.,粘塑性本构更新的变分公式,计算方法应用机械工程,171,419-444(1999)·兹伯利0938.74016
[73] Miehe,C.,基于增量变分公式的非弹性微观结构和复合材料的应变驱动均匀化,J Numer Methods Eng,551285-1322(2002)·Zbl 1027.74056号
[74] Schneider,M.,弹性和非弹性单位细胞均匀化问题的基于FFT的快速梯度法,计算方法应用机械工程,315846-866(2017)·Zbl 1439.74505号
[75] Milton,GW,《关于表征复合材料的可能有效张量集:变分法和平移法》,Commun Pure Appl Math,43,63-125(1990)·Zbl 0751.73041号
[76] Grimm-Strehle,H。;Kabel,M.,《基于FFT的均匀化的内存高效CG解算器的运行时优化:线性弹性的实现细节和缩放结果》,Compute Mech,64,5,1339-1345(2019)·Zbl 1464.74371号
[77] 卡贝尔,M。;弗利格纳,S。;Schneider,M.,有限应变下基于FFT均匀化的混合边界条件,计算力学,57,2,193-210(2016)·Zbl 1359.74356号
[78] Schneider,M.,基于FFT的强非均匀介质均匀化的收敛性,《数学方法应用科学》,38,13,2761-2778(2015)·Zbl 1328.65256号
[79] Daphalapurkar,NP;Wang,F。;Fu,B。;卢,H。;Komanduri,R.,《用纳米压痕法测定砂粒的机械性能》,实验力学,51,719-728(2011)
[80] Wichtmann,T。;Triantafyllidis,T.,《关于粒度分布曲线对石英砂纵波速度、约束弹性模量(M_{max})和泊松比的影响》,《土壤动力学地球工程》,30,8,757-766(2010)
[81] Sanditov,DS;曼塔托夫,VV;Sanditov,BD,玻璃的泊松比和可塑性,Tech Phys,54,4,594-596(2009)
[82] Wu,L。;亚当·L。;Doghri,I。;Noels,L.,《弹塑性复合材料的带二阶统计矩的增量正割平均场均匀化方法》,Mech Mater,114180-200(2017)
[83] Segurado,J。;卢卡,J。;González,C.,《关于模拟复合材料塑性变形的平均场方法的准确性》,Scr Mater,46,7,525-529(2002)
[84] Schneider,M。;霍夫曼,T。;安德拉,H。;Lechner,P。;Ettemeyer,F。;沃尔克,W。;Steeb,H.,砂芯材料微观结构建模和有效弹性性能计算,国际固体结构杂志,143,1-17(2018)
[85] 艾特梅尔,F。;Lechner,P。;霍夫曼,T。;安德雷,H。;Schneider,M。;Grund博士。;沃尔克,W。;Günther,D.,《数字砂芯物理:通过数字微观结构模拟预测砂芯物理性质》,《国际固体结构杂志》,188-189,155-168(2020)
[86] Barzilai,J。;Borwein,JM,两点步长梯度法,IMA J Numer Anal,8141-148(1988)·Zbl 0638.65055号
[87] 戴,YH;Lia,LZ,Barzilai和Borwein梯度法的R线性收敛性,IMA J Numer Anal,22,1-10(2002)·Zbl 1002.65069号
[88] 陈,Y。;Gélébart,l。;C.城堡。;博内特,M。;Sauder,C。;King,A.,从大规模数值模拟和同步辐射X射线显微计算层析成像的直接比较中分析SiC/SiC复合管中的损伤萌生,国际固体结构杂志,161111-126(2019)
[89] 方,H-R;Saad,Y.,非线性加速度的两类多波束方法,数值线性代数应用,16,197-221(2009)·Zbl 1224.65134号
[90] 托斯,A。;Kelley,C.,安德森加速度收敛分析,SIAM J Numer Anal,53,2805-819(2015)·兹比尔1312.65083
[91] 萨阿德,Y。;Schultz,MH,GMRES:求解非对称线性系统的广义最小残差算法,SIAM科学统计计算杂志,7856-869(1986)·Zbl 0599.65018号
[92] Li Z,Li J(2019)非线性优化的快速Anderson-Chebyshev加速,第1-17页。arXiv:1809.02341
[93] Schneider,M.,为短纤维增强塑料均匀化生成代表性体积元素的顺序添加和迁移方法,Compute Mech,59,247-263(2017)
[94] Anderson,DG,非线性积分方程的迭代程序,J ACM,12,4,547-560(1965)·Zbl 0149.11503号
[95] 丹博,RS;南卡罗来纳州艾森斯塔特;Steihaug,T.,《不精确牛顿法》,SIAM J Numer Anal,19400-408(1982)·Zbl 0478.65030号
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