一种动力学模型的显隐混合异步长交错格式计算方法技术

本发明专利技术提供了一种动力学模型的显隐混合异步长交错格式计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：生成显式分区计算及隐式分区计算所需的数据文件；步骤2：根据所述数据文件，获取显式分区的内部节点数据与显式分区的边界节点数据，并将与显式分区的边界节点数据发送至隐式分区；步骤3：隐式分区接受显式分区数据，求解隐式分区内部节点数据与边界节点数据，并将边界节点数据发送到显式分区；步骤4：更新分区节点数据，输出分区输出文件。本发明专利技术在结构动力学分析过程中根据分区单元特性以及外部载荷频率选用显式与隐式积分格式与时间步长。采用多重边界节点策略实现异步长分区耦合计算，有效提高了动力学模型分析精度与效率。

【技术实现步骤摘要】
一种动力学模型的显隐混合异步长交错格式计算方法
本专利技术涉及结构力学领域，具体地，涉及动力学模型的显隐混合异步长交错格式计算方法。尤其是，涉及一种有限元动力学模型显隐混合的实现方法。特别尤其是，涉及一种交错格式的显隐混合异步长计算方法。
技术介绍
直接积分方法是有限元动力学分析的常用方法，包括显式与隐式求解两大类。显式与隐式两种方法各有优缺点:显式积分方法的实质是从当前时刻的节点运动方程推求下一时刻节点的运动,其优点是不需要进行刚度、质量、阻尼阵的总装,其右端项的形成只须在单元一级水平上根据每个单元对有效荷载向量的贡献累加而成,这样整个计算基本上在单元一级水平上进行,仅需要很小的高速存贮区,计算效率较高,这种方法在开放系统的波动反应分析中有较多的应用。但是,显式积分方法只是一种条件稳定的积分方法,计算采用的时间步长受积分格式稳定性的限制。而隐式积分方法在数值稳定性方面具有一定的优越性,但是,隐式积分格式是空间耦合的,在每一时步的计算中都须求解联立方程,因而,随着有限元计算的单元数目和节点数目的增加,这种积分格式的计算量及对计算机数据存储的要求也都将急剧增加。大规模结构分析中存在局部精细网格划分使得有限元动力学分析模型存在明显的时间与空间尺度差异。一方面，局部精细化的网格使得有限元动力学分析显式求解过程中只能采用较小的临界时间步长。单一的积分时间步长会大幅提高计算时间。另一方面，在结构有限元模型动力学分析的不同阶段或不同区域，高频响应与低频响应总是分别出现，常常需要在数值计算中结合显式与隐式算法进行求解，以发挥不同算法的优势。无条件文件的隐式算法可以采用较大的时间步长，而条件稳定的显式算法采用小时间步长。这种显隐混合方法在大规模复杂精细结构分析中有诸多应用，诸如多物理场、流固耦合分析、多体系统动力学分析、车辆碰撞以及安全性分区、冲击引起的复杂结构响应等等。这些工程分析太多需要在较宽的时间尺度、局部响应高精度计算以及整体计算的时间效率在可以接受的时间范围内。经对现有技术文献的检索发现：陈少林等在中国科学：技术科学，2017,47(12)：1321-1330上发表文章“基于显-隐式格式的三维时域土-结相互作用分析的异步并行算法”，该文章采用显式中心差分方法与隐式Newmark方法分析三维时域土-结构动力相互作用。使用黏弹性人工边界模拟无限域地基，基于MPI协议实现土-结构系统中土体区域的异步长并行计算。但是该方法实现的过程中程序被人为的分成自编程序与调用Ansys程序求解过程，这在一定程度上降低了计算效率，扩大了程序对内存的需求，不利于程序的进一步扩展。杜修力等在岩土工程学报，2016，38(3)：395-403上发表文章“u-p格式饱和两相介质动力问题的显-隐式交替算法”。该文章提出以固相位移u和孔隙水压力p为基本变量的u-p形式的动力方程。固液两相的动力平衡方程利用中心差分法求解，液相的动力方程利用精细时程积分法计算。同时提供了不同求解液相相容方程的耦合项的方法。但是该方法针对中心差分法与精细时程积分方法采用相同的步长，这在计算量与内存使用上对带有矩阵求逆的精细积分法而言是个巨大的挑战。现有的显隐混合计算方法多采用非重叠共享边界节点形式分区方法。根据外载荷时间尺度选择显式或者隐式求解方法。显隐分区边界约束运动变量(如位移、加速度)连续或者使用拉格朗日乘子耦合分区边界能量平衡，异步长分区之间采用子循环方法实现步长匹配。显隐分区不同步长之间存在着数据匹配问题，多采用线性插值方法，这在一定程度上降低了算法的稳定性，同时也限制了最大步长比的选用。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种动力学模型的显隐混合异步长交错格式计算方法。根据本专利技术提供的一种动力学模型的显隐混合异步长交错格式计算方法，包括如下步骤：步骤1：生成显式分区计算及隐式分区计算所需的数据文件；步骤2：根据所述数据文件，获取显式分区的内部节点数据与显式分区的边界节点数据，并将与显式分区的边界节点数据发送至隐式分区；步骤3：隐式分区接收所述显式分区的边界节点数据，将所述显式分区的边界节点数据作为隐式分区的外部节点数据，求解隐式分区的内部节点数据与隐式分区的边界节点数据，并将隐式分区的边界节点数据发送至显式分区；步骤4：更新分区节点数据，输出分区输出文件；判断主时间步是否结束，若是，则结束流程，否则，则返回步骤2继续执行。优选地，所述数据文件包括：显式分区模型文件、显式分区边界信息文件、隐式分区模型文件、隐式分区边界信息文件；显式分区模型文件包括：显式分区的单元、节点、载荷、边界约束信息；隐式分区模型文件包括：隐式分区的单元、节点、载荷、边界约束信息；显式分区边界信息文件包括：显式分区的边界节点数目、节点编号以及节点坐标；隐式分区边界信息文件包括：隐式分区的边界节点数目、节点编号以及节点坐标；所述分区节点数据包括：显式分区的节点数据、隐式分区的节点数据；显式分区的节点包括：显式分区的内部节点、显式分区的边界节点、显式分区的外部节点；隐式分区的节点包括：隐式分区的内部节点、隐式分区的边界节点、隐式分区的外部节点；显式分区的节点数据包括：显式分区的节点位移、显式分区的节点速度及显式分区的节点加速度；隐式分区的节点数据包括：隐式分区的节点位移、隐式分区的节点速度及隐式分区的节点加速度；所述分区输出文件包括：显式分区输出文件、隐式分区输出文件。优选地，所述步骤1包括：根据多重边界节点方法对结构有限元网格进行划分：将结构有限元网格进行节点分割，所述有限元网格被节点分割为显式分区及隐式分区；显式分区的边界节点、外部节点分区分别与隐式分区分区的边界节点、外部节点重合，构成显式分区和隐式分区的重叠分区；根据所述显式分区生成显式分区模型文件及显式分区边界信息文件；根据所述隐式分区生成隐式分区模型文件及隐式分区边界信息文件。优选地，所述步骤2中，所述获取显式分区内部节点数据与显式分区边界节点数据的步骤，包括：其中，表示节点位移预测值；表示节点速度预测值；表示主时间步数为n，子循环时间步为j+1的显式分区节点位移预测值；表示主时间步数为n，子循环时间步为j+1的显式分区节点速度预测值；n表示主时间步数；j表示子循环时间步数；m表示隐式分区与显式分区积分步长比，m为大于或等于1的正整数；ΔT表示隐式分区积分步长；Δt表示显式分区时间步长，显式分区时间步长为所有显式分区单元最小时间步长；表示第Z个单元在第n个主时间步的临界时间步长,Z＝1,2,...,N，N为正整数；Δtcr表示单元临界时间步长；μ表示比例系数；l表示单元特征长度；ρ表示单元所用材料的密度；ν表示单元所用材料的泊松比；E表示单元所用材料的弹性模量；表示主时间步数为n，子循环时间步为j的显式分区节点位移；表示主时间步数为n，子循环时间步为j的显式分区节点速度；表示主时间步数为n，子循环时间步为j的显式分区节点加速度；βE与γE表示显式时间积分参数；表示与相乘；表示分区质量矩阵按内部节点自由度BI分块矩阵；表示内部节点对应的分块向量，上标T为向量的转置；ME表示显式分区的质量矩阵；BI表示内部节点自由度向量；üI表示显式分区内部节点加速度；表示主时间步数为n，子循环时间步为j+1的显式分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动力学模型的显隐混合异步长交错格式计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：生成显式分区计算及隐式分区计算所需的数据文件；步骤2：根据所述数据文件，获取显式分区的内部节点数据与显式分区的边界节点数据，并将与显式分区的边界节点数据发送至隐式分区；步骤3：隐式分区接收所述显式分区的边界节点数据，将所述显式分区的边界节点数据作为隐式分区的外部节点数据，求解隐式分区的内部节点数据与隐式分区的边界节点数据，并将隐式分区的边界节点数据发送至显式分区；步骤4：更新分区节点数据，输出分区输出文件；判断主时间步是否结束，若是，则结束流程，否则，则返回步骤2继续执行。

【技术特征摘要】
1.一种动力学模型的显隐混合异步长交错格式计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：生成显式分区计算及隐式分区计算所需的数据文件；步骤2：根据所述数据文件，获取显式分区的内部节点数据与显式分区的边界节点数据，并将与显式分区的边界节点数据发送至隐式分区；步骤3：隐式分区接收所述显式分区的边界节点数据，将所述显式分区的边界节点数据作为隐式分区的外部节点数据，求解隐式分区的内部节点数据与隐式分区的边界节点数据，并将隐式分区的边界节点数据发送至显式分区；步骤4：更新分区节点数据，输出分区输出文件；判断主时间步是否结束，若是，则结束流程，否则，则返回步骤2继续执行。2.根据权利要求1所述的动力学模型的显隐混合异步长交错格式计算方法，其特征在于，所述数据文件包括：显式分区模型文件、显式分区边界信息文件、隐式分区模型文件、隐式分区边界信息文件；显式分区模型文件包括：显式分区的单元、节点、载荷、边界约束信息；隐式分区模型文件包括：隐式分区的单元、节点、载荷、边界约束信息；显式分区边界信息文件包括：显式分区的边界节点数目、节点编号以及节点坐标；隐式分区边界信息文件包括：隐式分区的边界节点数目、节点编号以及节点坐标；所述分区节点数据包括：显式分区的节点数据、隐式分区的节点数据；显式分区的节点包括：显式分区的内部节点、显式分区的边界节点、显式分区的外部节点；隐式分区的节点包括：隐式分区的内部节点、隐式分区的边界节点、隐式分区的外部节点；显式分区的节点数据包括：显式分区的节点位移、显式分区的节点速度及显式分区的节点加速度；隐式分区的节点数据包括：隐式分区的节点位移、隐式分区的节点速度及隐式分区的节点加速度；所述分区输出文件包括：显式分区输出文件、隐式分区输出文件。3.根据权利要求2所述的动力学模型的显隐混合异步长交错格式计算方法，其特征在于，所述步骤1包括：根据多重边界节点方法对结构有限元网格进行划分：将结构有限元网格进行节点分割，所述有限元网格被节点分割为显式分区及隐式分区；显式分区的边界节点、外部节点分区分别与隐式分区分区的边界节点、外部节点重合，构成显式分区和隐式分区的重叠分区；根据所述显式分区生成显式分区模型文件及显式分区边界信息文件；根据所述隐式分区生成隐式分区模型文件及隐式分区边界信息文件。4.根据权利要求3所述的动力学模型的显隐混合异步长交错格式计算方法，其特征在于，所述步骤2中，所述获取显式分区内部节点数据与显式分区边界节点数据的步骤，包括：其中，表示节点位移预测值；表示节点速度预测值；表示主时间步数为n，子循环时间步为j+1的显式分区节点位移预测值；表示主时间步数为n，子循环时间步为j+1的显式分区节点速度预测值；n表示主时间步数；j表示子循环时间步数；m表示隐式分区与显式分区积分步长比，m为大于或等于1的正整数；ΔT表示隐式分区积分步长；Δt表示显式分区时间步长，显式分区时间步长为所有显式分区单元最小时间步长；表示第Z个单元在第n个主时间步的临界时间步长,Z＝1,2,...,N，N为正整数；Δtcr表示单元临界时间步长；μ表示比例系数；l表示单元特征长度；ρ表示单元所用材料的密度；ν表示单元所用材料的泊松比；E表示单元所用材料的弹性模量；表示主时间步数为n，子循环时间步为j的显式分区节点位移；表示主时间步数为n，子循环时间步为j的显式分区节点速度；表示主时间步数为n，子循环时间步为j的显式分区节点加速度；βE与γE表示显式时间积分参数；表示与相乘；表示分区质量矩阵按内部节点自由度BI分块矩阵；表示内部节点对应的分块向量，上标T为向量的转置；ME表示显式分区的质量矩阵；BI表示内部节点自由度向量；表示显式分区内部节点加速度；表示主时间步数为n，子循环时间步为j+1的显式分区内部节点加速度；fext,i表示内部节点对应施加的外力向量；表示主时间步数为n,子循环时间步为j+1时显式分区对应内部节点外力向量；表示分区刚度矩阵按内部节点自由度BI分块矩阵；KE表示显式分区的刚度矩阵；表示内部节点位移预...

【专利技术属性】
技术研发人员：金先龙，马志强，楼云锋，孔令爽，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31