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由断裂力学相场模型产生的矢量有限元线性系统的预处理策略。 (英语) Zbl 1506.74345号

总结:在有限元方法中,相场模型经常被用来模拟断裂力学问题。为了描述裂缝,该方法需要求解一组耦合的Helmholtz类损伤场方程和增广的线性动量平衡方程。然后,将这些耦合方程的解用作固体中裂纹扩展现象的描述。然而,该方法限制了使用极精细的网格来正确预测裂纹。对于感兴趣的实际问题,这通常会导致大尺寸线性系统的重复组装和求解。因此,在串行/并行计算环境的框架内求解这些大型线性系统的迭代求解程序,如基于Krylov子空间的方法,对于在可行的时间内获得结果来说,是必需的。在这项工作中,提出了混合相场公式的矢量有限离散化——整体求解方案。通过Picard迭代处理混合相场模型耦合方程组中存在的潜在非线性,这有助于保持待求解线性化系统的对称性。由于针对该问题获得的有限元线性系统具有对称正定性质,共轭梯度法是迭代求解算法的标准选择。本文中,为了提高用于裂纹扩展问题的共轭梯度法的收敛速度,从而缩短求解时间,对不同的预处理策略进行了分析、调整和讨论。脆性断裂基准用于测量预条件器的性能,然后将其应用于具有数百万未知量的大规模并行模拟。一系列数值实验表明,代数多重网格预处理器非常适合求解断裂相场模型,在所有方面都优于Jacobi和块Jacobi预处理:易于求解、迭代收敛、求解时间、,以及1000多个进程的并行扩展。

MSC公司:

74兰特 脆性断裂
74S05号 有限元方法在固体力学问题中的应用
65平方米 含偏微分方程初值和初边值问题离散方程的数值解
65M60毫米 涉及偏微分方程初值和初边值问题的有限元、Rayleigh-Ritz和Galerkin方法
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全文: 内政部

参考文献:

[1] Francfort,G.A。;Marigo,J.-J.,《将脆性断裂重新视为能量最小化问题》,J.Mech。物理学。固体,46,8,1319-1342(1998)·Zbl 0966.74060号
[2] 布尔丁,B。;Francfort,G。;Marigo,J.-J.,重温脆性断裂的数值实验,J.Mech。物理学。固体,48,4797-826(2000)·兹比尔0995.74057
[3] 布尔丁,B。;Francfort,G.A。;Marigo,J.-J.,断裂的变分方法,J.弹性,91,1-3,5-148(2008)·Zbl 1176.74018号
[4] 阿莫尔,H。;马里戈,J.-J。;Maurini,C.,单边接触变分脆性断裂的正则化公式:数值实验,J.Mech。物理学。固体,57,8,1209-1229(2009)·Zbl 1426.74257号
[5] Miehe,C。;Welschinger,F。;Hofacker,M.,《断裂的热力学一致相场模型:变分原理和多场有限元实现》,国际。J.数字。方法工程,83,10,1273-1311(2010)·Zbl 1202.74014号
[6] Miehe,C。;霍法克,M。;Welschinger,F.,速率相关裂纹扩展的相场模型:基于算子分裂的稳健算法实现,计算。方法应用。机械。工程,199,45-48,2765-2778(2010)·Zbl 1231.74022号
[7] Ambati,M。;Gerasimov,T。;Lorenzis,L.D.,《脆性断裂的相场模型和新的快速混合公式的综述》,计算。机械。,55, 2, 383-405 (2014) ·Zbl 1398.74270号
[8] Miehe,C。;霍法克,M。;Schänzel,L.-M。;Aldakheel,F.,多物理问题中断裂的相场建模。第二部分。热塑性固体中的脆性-延性耦合失效准则和裂纹扩展,计算。方法应用。机械。工程,294486-522(2015)·Zbl 1423.74837号
[9] 阿莱西·R。;马里戈,J.-J。;Vidoli,S.,《与塑性耦合的梯度损伤模型:变分公式和主要特性》,《力学》。材料。,80, 351-367 (2015)
[10] Ambati,M。;Gerasimov,T。;De Lorenzis,L.,延性断裂的相场模拟,计算。机械。,55, 5, 1017-1040 (2015) ·Zbl 1329.74018号
[11] Miehe,C。;Schänzel,L.-M.,橡胶聚合物断裂的相场模拟。第一部分:有限弹性与脆性破坏耦合,J.Mech。物理学。固体,65,93-113(2014)·Zbl 1323.74012号
[12] Borden,M.J。;休斯·T·J。;兰迪斯,C.M。;Anvari,A。;Lee,I.J.,延性断裂的相场公式,(计算塑性进展(2018),Springer),45-70·Zbl 1493.74007号
[13] Borden,M.J。;Verhoosel,C.V。;斯科特,医学硕士。;休斯·T·J。;Landis,C.M.,动态脆性断裂的相场描述,计算。方法应用。机械。工程,2177-95(2012)·Zbl 1253.74089号
[14] 霍法克,M。;Miehe,C.,动态断裂的连续相场建模:变分原理和交错有限元实现,国际分形杂志。,178, 1-2, 113-129 (2012)
[15] Verhoosel,C.V。;de Borst,R.,粘性断裂的相场模型,国际。J.数字。方法工程,96,1,43-62(2013)·Zbl 1352.74029号
[16] 南卡罗来纳州五月。;维诺莱特,J。;De Borst,R.,《脆性和内聚断裂相场模型的数值评估:(Gamma)-收敛和应力振荡》,《欧洲力学杂志》。A Solids,52,72-84(2015)·Zbl 1406.74599号
[17] 库恩,C。;Müller,R.,热机械断裂的相场模拟,(PAMM:应用数学和力学论文集,第9卷(2009),威利在线图书馆),191-192
[18] Ambati,M。;克鲁斯,R。;De Lorenzis,L.,有限应变下延性断裂的相场模型及其实验验证,计算。机械。,57, 1, 149-167 (2016) ·Zbl 1381.74181号
[19] Nguyen,T.T。;Yvonnet,J。;博内特,M。;C.城堡。;Sab,K。;罗曼尼,R。;Le Roy,R.,《关于用实验验证模拟裂纹萌生的相场方法中参数的选择》,《国际分形杂志》。,197, 2, 213-226 (2016)
[20] Pham,K.H。;拉维·钱达尔,K。;Landis,C.M.,断裂相场模型的实验验证,国际分形杂志。,205, 1, 83-101 (2017)
[21] Wu,J.-Y。;Nguyen,V.P。;Nguyen,C.T。;Sutula,D。;博尔达斯,S。;Sinaie,S.,裂缝相场建模,高级应用。机械:多尺度理论计算。,52 (2018)
[22] Pijaudier-Cabot,G。;Baíant,Z.P.,非局部损伤理论,J.Eng.Mech。,113, 10, 1512-1533 (1987)
[23] 巴桑特,Z.P。;Jirásek,M.,塑性和损伤的非局部积分公式:进展综述,J.Eng.Mech。,1281119-1149(2002年)
[24] 莫尔斯,N。;斯托尔茨,C。;伯纳德,体育。;Chevageon,N.,基于水平集的伤害增长模型:厚水平集方法,国际。J.数字。方法工程,86,3,358-380(2011)·Zbl 1235.74302号
[25] Giry,C。;杜福尔,F。;Mazars,J.,基于应力的非局部损伤模型,国际固体结构杂志。,48, 25, 3431-3443 (2011)
[26] Rastiello,G。;Giry,C。;Gatuingt,F。;Desmorat,R.,从具有演变内部长度的Eikonal非局部(ENL)连续损伤模型的扩散损伤到应变局部化,计算。方法应用。机械。工程,331,650-674(2018)·Zbl 1439.74029号
[27] 弗莱蒙德,M。;Nedjar,B.,《损伤、损伤梯度和虚功原理》,国际固体结构杂志。,33, 8, 1083-1103 (1996) ·Zbl 0910.73051号
[28] Peerlings,R。;Geers,M。;德博斯特,R。;Brekelmans,W.,《非局部和梯度增强软化连续统的临界比较》,国际固体结构杂志。,38, 44-45, 7723-7746 (2001) ·Zbl 1032.74008号
[29] 德博斯特,R。;Verhoosel,C.V.,《断裂的梯度损伤与相场方法:相似性与差异》,计算。方法应用。机械。工程,31278-94(2016)·Zbl 1439.74347号
[30] Mandal,T.K。;Nguyen,V.P。;Heidarpour,A.,《准脆性破坏的相场和梯度增强损伤模型:数值比较研究》,《工程分形》。机械。,207, 48-67 (2019)
[31] Badri,医学硕士。;Jolivet,P。;卢梭,B。;勒科尔,S。;Digonnet,H。;Favennec,Y.,解辐射传递方程的矢量有限元,J.Quant。光谱学。辐射。转让,212,59-74(2018)
[32] 比尔根,C。;科帕尼查科娃,A。;克劳斯,R。;Weinberg,K.,贝壳骨折的相场方法,麦加尼卡,53,6,1203-1219(2017)·Zbl 1390.74167号
[33] Hestenes,M.R。;Stiefel,E.,《求解线性系统的共轭梯度方法》,第49卷(1952年),华盛顿特区国家统计局·Zbl 0048.09901号
[34] 萨阿德,Y。;Schultz,M.H.,GMRES:求解非对称线性系统的广义最小残差算法,SIAM J.Sci。统计计算。,7, 3, 856-869 (1986) ·Zbl 0599.65018号
[35] Jodlbauer,D。;兰格,美国。;Wick,T.,用于相场断裂问题的无矩阵多重网格求解器(2019),arXiv电子打印,54:arXiv:1902.08112
[36] Farrell,体育。;Maurini,C.,脆性断裂变分相场模型的线性和非线性解算器,国际。J.数字。方法工程师,109648-667(2017)
[37] 佩奇,C.C。;桑德斯,M.A.,稀疏不定线性方程组的求解,SIAM J.Numer。分析。,12, 4, 617-629 (1975) ·Zbl 0319.65025号
[38] Heister,T。;Wick,T.,《2D和3D加压相场断裂问题的并行解、自适应性、计算收敛性和开源代码》,(PAMM:《应用数学与力学学报》,第18卷(2018年),威利在线图书馆),文章e201800353 pp。
[39] Bourdin,B.,准静态脆性断裂变分公式的数值实现,界面自由边界。,9, 3, 411-430 (2007) ·Zbl 1130.74040号
[40] Gerasimov,T。;De Lorenzis,L.,《脆性断裂相场计算的线搜索辅助整体法》,计算。方法应用。机械。工程,312276-303(2016)·Zbl 1439.74349号
[41] 刘,G。;李,Q。;Msekh,医学硕士。;Zuo,Z.,Abaqus准静态和动态断裂相场模型的整体和交错方案的实现,计算。马特。科学。,121, 35-47 (2016)
[42] Wick,T.,求解全整体相场准静态脆性断裂扩展的修正牛顿法,计算。方法应用。机械。工程,325577-611(2017)·Zbl 1439.74375号
[43] 徐,J。;Zikatanov,L.,代数多重网格方法,《数值学报》。,26, 591-721 (2017) ·Zbl 1378.65182号
[44] Stüben,K.,代数多重网格综述,(数值分析:20世纪的历史发展(2001),Elsevier),331-359·Zbl 0979.65111号
[45] Wu,J.-Y.,损伤和准脆性破坏力学的统一相场理论,J.Mech。物理学。固体,103,72-99(2017)
[46] Wu,J.-Y。;Nguyen,V.P.,《脆性断裂的长度尺度不敏感相场损伤模型》,J.Mech。物理学。固体,119,20-42(2018)
[47] 科帕尼查科娃,A。;Krause,R.,一种递归多层信赖域方法,应用于脆性断裂的全整体相场模型,计算。方法应用。机械。工程,360,第112720条pp.(2020)·Zbl 1441.74208号
[48] Doan,D.H。;Bui,T.Q。;杜克,N.D。;Fushinobu,K.,功能梯度玻璃填充环氧树脂动态裂纹扩展的混合相场模拟,复合材料B,99,266-276(2016)
[49] Jeong,H。;Signetti,S。;Han,T.-S。;Ryu,S.,复合剪切和拉伸载荷下裂纹扩展的相场模拟,混合公式,计算。马特。科学。,155, 483-492 (2018)
[50] Hirshikesh,H。;Natarajan,S。;Annabattula,R.K.,准静态脆性断裂相场方法的FEniCS实现,Front。结构。公民。工程师,13,2,380-396(2018)
[51] Molnár,G。;Gravouil,A.,2D和3D Abaqus实现了用于建模脆性断裂的稳健交错相场解决方案,有限元。分析。设计。,13027-38(2017)
[52] 维诺莱特,J。;南卡罗来纳州五月。;De Borst,R。;Verhoosel,C.V.,脆性和内聚断裂的相场模型,麦加尼卡,49,11,2587-2601(2014)
[53] 亚历山大·J。;Yorke,J.A.,同伦延拓方法:数值实现的拓扑过程,Trans。阿默尔。数学。《社会学杂志》,242271-284(1978)·Zbl 0424.58003号
[54] 格拉玛,A。;库马尔,V。;古普塔,A。;Karypis,G.,《并行计算导论》(2003),培生教育
[55] Málek,J。;Strakos,Z.,《求解偏微分方程背景下的预处理和共轭梯度法》,第1卷(2014年),SIAM
[56] Benzi,M.,《大型线性系统的预处理技术:综述》,J.Compute。物理。,182, 2, 418-477 (2002) ·Zbl 1015.65018号
[57] 巴莱,S。;Abhyankar,S。;亚当斯,M。;Brown,J。;布鲁纳,P。;Buschelman,K。;达尔星。;Dener,A。;埃伊霍特,V。;格罗普,W。;卡佩耶夫,D。;考希克,D。;Knepley,M。;D.梅。;Curfman McInnes,L。;米尔斯,R。;Munson,T。;鲁普,K。;萨南,P。;Smith,B。;扎皮尼,S。;张,H。;Zhang,H.,PETSc用户手册技术报告(2019),阿贡国家实验室
[58] 杜邦,T。;肯德尔,R.P。;Rachford,H.,解自伴椭圆差分方程的近似因子分解过程,SIAM J.Numer。分析。,5, 3, 559-573 (1968) ·Zbl 0174.47603号
[59] Kershaw,D.S.,线性方程组迭代解的不完全Cholesky共轭梯度法,J.Compute。物理。,26, 1, 43-65 (1978) ·兹伯利0367.65018
[60] Ruge,J.W。;Stüben,K.,代数多重网格,(多重网格方法(1987),SIAM),73-130
[61] Jones,J.E。;Vassilevski,P.S.,基于元素聚集的AMGE,SIAM J.Sci。计算。,23, 1, 109-133 (2001) ·Zbl 0992.65140号
[62] 范·克,P。;曼德尔,J。;Brezina,M.,二阶和四阶椭圆问题的光滑聚合代数多重网格,计算,56,3,179-196(1996)·Zbl 0851.65087号
[63] 贝克,A.H。;R·D·法尔古特。;科列夫,T.V。;Yang,U.M.,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
[64] 贝克,A.H。;R·D·法尔古特。;科列夫,T.V。;Yang,U.M.,《超并行计算的多重网格平滑器:附加理论和讨论技术报告》(2011),劳伦斯·利弗莫尔国家实验室
[65] 格罗普,W.D。;Lusk,E。;Skjellum,A.,《使用MPI:具有消息传递接口的可移植并行编程》,第1卷(1999年),麻省理工学院出版社
[66] Geuzaine,C。;Remacle,J.F.,Gmsh:具有内置预处理和后处理设施的三维有限元网格生成器,国际。J.数字。方法工程,79,11,1309-1331(2009)·兹比尔1176.74181
[67] Karypis,G。;Schloegel,K。;Kumar,V.,Parmetis:并行图划分和稀疏矩阵排序库,1.0版,22(1997),明尼苏达大学计算机科学系
[68] Hecht,F.,《FreeFem++的新发展》,J.Numer。数学。,20, 3-4, 251-266 (2012) ·Zbl 1266.68090号
[69] Ahrens,J。;Geveci,B。;法律,C。;Hansen,C。;Johnson,C.,Paraview:大数据可视化的最终用户工具,Vis。把手。,717 (2005)
[70] Hirshikesh,J。;Pramod,A。;Annabattula,R。;Ooi,E。;宋,C。;Natarajan,S.,使用缩放边界有限元法对脆性断裂进行自适应相场建模,计算。方法应用。机械。工程,355284-307(2019)·Zbl 1441.74206号
[71] Basermann,A。;Reichel,B。;Schelthoff,C.,大规模并行机上稀疏矩阵的预处理CG方法,并行计算。,23, 3, 381-398 (1997) ·Zbl 0907.68027号
[72] Badri,医学硕士。;Jolivet,P。;卢梭,B。;Favennec,Y.,用于解决具有散射和反射的辐射传输问题的预条件Krylov子空间方法,计算。数学。申请。,77,61453-1465(2019)·Zbl 1442.65345号
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