基于子结构的Woodbury非线性分析方法

非线性分析是研究结构性能的重要手段,准确并高效的模拟非线性行为,对评估结构安全性具有重要意义。工程结构材料非线性行为一般仅发生在局部区域,考虑结构的局部非线性特征,往往能有效提高计算效率。Woodbury公式被应用于多种数值算法中来高效地求解局部材料非线性问题,该公式仅需对小规模的Schur补矩阵进行分解,避免了对整体刚度矩阵的分解运算。然而,Schur补矩阵通常不具备稀疏特征,且其阶数与非线性规模相关,因此,当非线性区域较大时,Woodbury公式的高效性受到限制。为此,该文提出了基于子结构的Woodbury非线性分析方法,该方法将Schur补矩阵分解为若干个子矩阵,大幅降低了非线性分析过程中Schur补矩阵的规模。最后将该方法应用于某钢框架结构的动力非线性分析,并从精度和效率两方面与传统Woodbury法做了对比;结果表明：该文方法在保证计算精度的前提下改善了Woodbury公式的计算性能,进一步拓宽了其适用范围。     

基于Woodbury+OpenMP的结构非线性地震反应并行分析方法EI北大核心CSCD

非线性地震反应分析已成为评价工程结构抗震性能的重要技术手段,随着结构规模的增大,非线性引发的大规模刚度矩阵迭代更新成为制约结构分析效率的关键因素。基于Woodbury公式的结构非线性地震反应分析法(Woodbury方法)是一类新型高效数值分析方法,此类方法利用结构在地震作用下的局部非线性特征,能够在保证较高迭代收敛速率的同时有效避免结构刚度矩阵实时变化及由此导致的计算效率低下。然而,当前相关研究均基于串行计算模式,并未充分利用计算硬件的并行计算能力。引入OpenMP模式对Woodbury方法进行并行加速,提出了一种用于结构高效非线性地震反应分析的并行计算方法,该方法首先将每个迭代计算步划分为非线性相关系数矩阵计算更新、基于Woodbury公式的位移响应求解、单元状态确定3个主要计算部分,随后通过建立非线性相关系数矩阵的分块计算方法,将Woodbury公式的计算过程拆解为6个可并行的计算步,对各单元状态进行单独判定,分别建立了适用于三者的OpenMP并行加速策略,实现了算法的全过程并行优化。最后,通过对一个高层结构进行地震反应分析验证了该方法的准确性和高效性。     

隔离非线性分层壳有限单元法

分层壳单元由于其模型简单,物理意义清晰,被广泛应用于建筑结构的有限元数值模拟中。该文基于隔离非线性有限元法提出了分层壳单元的高效非线性分析模型,将分层壳单元的截面变形(应变和曲率)分解为线弹性变形和非线性变形,以单元中面的高斯积分点作为非线性变形插值结点,建立了非线性变形场,并根据虚功原理,推导了分层壳单元的隔离非线性控制方程,采用Woodbury公式和组合近似法联合求解控制方程。依据时间复杂度理论的统计分析表明:该文建立的方法相较于传统变刚度有限元方法在非线性分析效率方面具有显著优势。并与有限元软件ANSYS的计算结果进行对比,验证了该文方法的准确性。     

采用自适应Woodbury公式的框架结构高效动力分析与易损性计算方法

地震易损性分析是评价工程结构抗震安全性的重要手段,但在计算过程中通常需进行大量的动力时程分析,这导致其计算效率通常较低。该文旨在建立框架结构强震下的高效动力分析与倒塌易损性计算方法。使用纤维梁单元建立框架结构数值分析模型,引入隔离非线性理论进行局部材料弹塑性行为模拟,并通过对考虑P-Δ效应的几何刚度进行矩阵分解和摄动变换,提出了能够同时对局部材料弹塑性行为和几何非线性行为进行隔离表达的纤维梁模型控制方程,结合Woodbury公式进行控制方程求解,所提方法在结构动力非线性分析时能够避免整体刚度矩阵的反复更新,显著提升了求解效率;为克服动力Woodbury公式对时间步长选取的限制,进一步建立不同时间步长下该公式中相关系数矩阵的预处理机制和自适应调度机制,提出了基于自适应Woodbury公式的框架结构高效动力分析方法,在此基础上结合多条带法,建立了结构倒塌易损性曲线的快速计算方法。使用一个9层框架结构验证了所提方法的高效性和准确性。     

基于隔离非线性的实体单元模型与计算效率分析

实体有限元模型计算中往往需要较多的计算单元与结点数量,且这些单元状态判定以及大规模的刚度矩阵分解将消耗大量的计算资源,计算效率低。该文基于隔离非线性法理论建立了线性四面体与六面体等参单元分析模型,采用直接积分格式的6积分点替代六面体等参单元的8高斯点作为非线性应变插值点,能够在保证计算精度的同时提高单元状态判定效率。控制方程采用Woodbury公式与组合近似法联合求解,使得整个求解过程只有矩阵回代以及矩阵与向量的乘积,进一步提高了求解效率。基于时间复杂度的计算效率分析表明：随着结点自由度数目的增加,该文方法的计算效率相对传统变刚度法显著提高,数值算例验证了实体单元模型的正确性以及算法的高效性。     

求解非线性方程组的Newton型方法研究

Newton迭代法是求解非线性方程组的重要方法,目前使用的很多其他类型的迭代法都是以Newton迭代法为基础,在其上延伸与拓展之后得到的.但是这种方法仅仅利用了迭代点及Jacobi矩阵的性质,没有充分利用其他点及其Jacobi矩阵的信息.本文利用多重迭代的思想对求解非线性方程组的Newton法进行改进,并结合修正New...     

基于离散宏单元的砌体结构高效非线性分析方法

砌体结构由力学性能不同的块体和砂浆构成,材料的各向异性使结构非线性行为体现出高度复杂性。砌体结构非线性分析模型主要包括分离式和整体式两种:分离式模型将块体、砂浆及二者粘结界面分开建模,可以精细化揭示砌体非线性行为和破坏形态,但非线性分析计算量大,多用于局部构件的细部分析和模拟;整体式模型将块体和砂浆假定为连续的匀质体,建模过程简单、易行,适用于整体结构的宏观分析。无论是分离式还是整体式,结构非线性计算分析中大规模刚度矩阵的实时更新与分解降低了分析效率。该文提出了一种基于整体式空间离散宏单元模型的砌体结构高效非线性分析方法,该方法采用剪切单元模拟砌体墙的斜截面剪切破坏模式,采用无厚界面单元模拟砌体墙的正截面弯曲破坏模式、正截面剪切滑移破坏模式和平面外剪扭破坏模式,进一步将剪切单元等效斜向弹簧的轴向变形和无厚界面单元上下表面的相对变形分解为线弹性和非线性两部分,并引入塑性自由度描述分离出的非线性部分,可将任意时刻的切线刚度矩阵表示为初始弹性刚度矩阵的低秩摄动形式,引入Woodbury公式进行求解,该文方法避免了大规模整体刚度矩阵的迭代更新,非线性分析的主要计算量仅集中于小规模非线性矩阵的更新与分解,显著提升了计算效率。     

基于信赖域技术的非单调非线性共轭梯度算法

共轭梯度算法由于其迭代简单和较小的存储在求解大规模无约束优化问题中起着特殊的作用.本文基于信赖域技术和修正拟牛顿方程,结合Zhang非单调策略,设计了一种新的求解无约束最优化问题的基于信赖域技术的非单调非线性共轭梯度算法.该算法每次迭代自动产生信赖域半径,并通过求解一个简单的子问题得到下一个迭代点,信赖域技术的应用保证...     

基于字典树的基数排序算法

排序和查找是数据处理中最常用的运算之一,比较排序算法中时间复杂度最小的是快速排序,接近O(nlog2n)。基数排序是非比较排序算法中的一种,设待排序列为n个记录,d个关键码,关键码的取值范围为radix,则进行链式基数排序的时间复杂度为O(d(n+radix))。字典树是常用于字符串排序的算法,时间复杂度为O(n),排序速度快而且便于查找。结合两种算法的优点,提出一种更高效且合理的算法。     

非线性时钟温度漂移的二阶修正算法

通过试验数据说明了时钟芯片的温度漂移具有非线性特性.针对此非线性漂移提出了二阶修正算法.该算法具有较线性修正算法更高的效率,因此能够有效延长对钟间隔,减小对钟开销.试验表明,时钟温漂的二阶修正算法具有较低的绝对和相对误差,以及较高漂移抑制比.     

基于有限质点法的结构动力非线性行为分析

有限质点法是以向量力学为基础的崭新的结构分析方法,该文将其应用到结构动力非线性行为分析中。该方法将结构离散为质点群,采用牛顿定律描述质点的运动,通过对质点行为的模拟和分析计算结构行为。该文介绍了有限质点法的基本思想,提出了该方法分析结构“动”与“静”,“线性”与“非线性”问题的独特思路。以杆系结构为例,推导了该方法求解结构动力反应,及几何、材料非线性问题的基本公式。通过三个数值算例,验证了该方法在结构动力非线性行为分析中的正确性和适用性。有限质点法在处理动力非线性问题时无需迭代求解和特殊修正,与传统方法相比在结构复杂行为分析中有明显的优势。     

结构几何非线性分析中分叉失稳的直接求解

在导护型牛顿法求得分叉点和分叉点上失稳模态的基础上,该文提出一个分叉路径的求解算法。将解路径上的解视为解路径弧长的连续光滑函数,由结构平衡方程对解路径弧长的一阶导数建立起分叉方向满足的控制方程。由该控制方程知,分叉点上结构结点位移向量对解路径弧长的导数可分解为分叉点上失稳模态和控制方程特解的线性组合,从而将分叉方向的求...     

结构几何非线性分析中临界点的直接求解

结构非线性分析中解路径上的临界点是反映结构承载特性的重要参数。该文基于结构非线性解路径跟踪的弧长法提出一个以解路径弧长为参数,直接求解临界点的Newton法。该算法具有很好的求解精度,适用范围广,对于单重临界点和多重临界点问题均能有效解决。数值算例表明:该文方法准确、可靠、高效。     

非线性结构动力方程求解的显式差分格式的特性分析

本文针对软化非线性结构体系动力方程,分析了作者推导出的求解方程的显式差分格式的收敛性及稳定性,分别给出了结构体系处于非线性正刚度及屈服后的负刚度反应阶段时显式差分格式的稳定条件。稳定性分析结果表明,只要结构体系处于初始反应的粘-弹性阶段时显式差分格式满足稳定性条件,则可以保证软化非线性结构体系反应求解的整个过程中格式的计算稳定性。     

振动计算连锁公式法反演的数值稳定性

本文讨论了振动计算等时间步长连锁公式反演的数值稳定性,结果表明,相对加速度反演公式是不稳定的;绝对加速度和相对位移反演公式是条件稳定的;相对速度反演公式是无条件稳定的;文末对连锁公式反演的应用问题进行了初步地讨论。     

二维摩擦接触问题迭代法与非线性互补算法的等价性

本文证明了二维摩擦接触问题一种迭代法与非线性互补算法的等价性,为迭代法的收敛性找到了理论依据,并由此提出了这种迭代法的修正方法,使迭代法也能保证收敛。     

基于实测值的桩基沉降计算方法对比分析

以天津滨海地区桩基工程实测资料为基础,应用MATLAB软件编制桩基沉降计算程序,分别用等效作用分层总和法和等代实体深基础法计算桩-承台基础沉降,用明德林法计算桩筏基础沉降。分析表明:等效作用分层总和法计算值小于实测值,而实体深基础法和明德林法则基本大于实测值。分析结果可为3种沉降计算方法在天津滨海地区桩基工程中的应用提供参考。     

两种轮轨接触应力算法对比分析

选择我国高速车轮LMa踏面及其运营磨耗后实测得到的踏面外形与我国标准CN60钢轨匹配,分别采用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及其数值程序CONTACT和三维轮轨接触有限元模型,计算了轮轨接触斑面积、接触压力和接触应力等,并对两种算法所计算的结果进行了对比分析。计算结果表明：CONTACT程序计算得到的轮轨接触斑面积小于有限元计算结果,但CONTACT计算得到的轮轨间最大接触压力和最大等效应力大于有限元结果,尤其在车轮轮缘贴靠钢轨时两者差异更为明显。而当车轮与钢轨在接触点处的曲率半径远大于接触斑的几何尺寸时,CONTACT和有限元法得到的结果差异较小。车轮磨耗后轮轨接触容易发生多点接触,CONTACT和有限元法计算轮轨多点接触得到的结果相差非常大,CONTACT程序不宜用来解决此类接触问题。