材料形变位移计算方法和计算系统技术方案

本发明专利技术公开了材料形变位移计算方法和计算系统，方法包括：响应于获取的设计参数，构建对应结构和几何模型并生成刚度矩阵K和载荷列阵F；将刚度矩阵K按行压缩稀疏化存储，输入载荷列阵F并选取Krylov子空间维度m、初值U0和容许误差ε；构建Krylov子空间的一组标准正交基；计算位移U在Krylov子空间中的最佳逼近U

【技术实现步骤摘要】
材料形变位移计算方法和计算系统


[0001]本专利技术属于有限元分析
，尤其涉及材料形变位移计算方法和计算系统。

技术介绍

[0002]有限元分析是将真实的物理系统剖分成有限个单元，通过对每个单元的近似计算，实现对真实物理系统结构和受力情况的模拟。有限元分析首先根据实际问题建立数学模型，然后利用有限元方法进行离散，得到刚度方程KU＝F，其中K∈R
n
×
n
，表示各单元节点所受合力与发生位移之间的线性关系；U∈R
n
×1，为各单元节点位移排成的列向量；F∈R
n
×1，表示各单元节点产生位移U所受合力；n为方程个数，通常可达几十万甚至百万规模。
[0003]刚度方程的求解是各类有限元分析软件的底层核心技术，消耗了大部分的计算时间。在工程实践中，由于空间和算力的限制，此规模方程组的求解往往只能依赖于向超算中心提交任务，流程繁杂，与工业现场严重脱节，影响工业生产进度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了材料形变位移计算方法和计算系统,在空间和计算资源受限的条件下，在工业现场进行有限元分析仿真，指导工业设计，提供了一种可灵活部署、高效并行的有限元分析加速方法。大大提升了刚度方程求解过程的并行性，提高了计算效率，减少了计算时间。使工业现场进行大规模有限元分析仿真成为可能。
[0005]本专利技术目的通过下述技术方案来实现：
[0006]一种材料形变位移计算方法，所述方法包括：
[0007]响应于获取的设计参数，构建对应结构和几何模型并生成刚度矩阵K和载荷列阵F；
[0008]将刚度矩阵K按行压缩稀疏化存储，输入载荷列阵F并选取Krylov子空间维度m、初值U0和容许误差ε；
[0009]构建所述Krylov子空间的一组标准正交基；
[0010]计算位移U在所述Krylov子空间的最佳逼近U
m
；
[0011]计算残差||F
‑
KU
m
||，若所述残差小于容许误差ε则输出所述最佳逼近U
m
作为材料形变位移；若所述残差大于容许误差ε则以所述最佳逼近U
m
作为新的初值更新所述Krylov子空间并重新计算材料形变位移。
[0012]进一步的，所述生成刚度矩阵和载荷矩阵具体包括：
[0013]对所述几何模型进行单元网格剖分；
[0014]设置物理参数和边界条件；
[0015]生成刚度矩阵K和载荷矩阵F。
[0016]进一步的，所述设计参数包括材料参数、结构尺寸和外力参数。
[0017]进一步的，所述m取值为任意小于n的自然数，n为问题规模。
[0018]进一步的，所述构建所述Krylov子空间的一组标准正交基和计算位移U在所述Krylov子空间的最佳逼近U
m
采用并行计算方式进行。
[0019]进一步的，所述计算位移U在所述Krylov子空间的最佳逼近U
m
通过QR分解方式求解最小二乘问题获得。
[0020]另一方面，本专利技术还提供了一种材料形变位移计算系统，所述系统用于实现前述任一种材料形变位移计算方法，所述系统包括：
[0021]用户端，所述用户端包括处理器和接口转换卡；
[0022]敏捷集群计算加速器，所述敏捷集群计算加速器包括SRIO网络交换模块、计算核、系统控制模块和以太网网络交换模块，所述SRIO网络交换模块分别与所述接口转换卡和所述计算核通讯连接，所述系统控制模块分别与所述接口转换卡和所述以太网网络交换模块通讯连接，所述以太网网络交换模块与所述计算核通讯连接。
[0023]进一步的，所述系统控制模块包括受所述用户端控制的控制芯片和以太网路由芯片。
[0024]进一步的，所述SRIO网络交换模块包括实现刚度矩阵K和载荷列阵F读入及数据分配的扩展接口。
[0025]本专利技术的有益效果在于：
[0026](1)本专利技术针对有限元分析生成的大规模线性方程组，充分利用其稀疏特性，减少内存开销；同时针对集群计算系统的优势，开发高度并行化的Krylov子空间方法，从而可以选取较大维度的子空间，加速算法收敛，提升计算速度。
[0027](2)本专利技术用户终端为一台机箱和一个显示器，配置有安装各种工业应用有限元设计软件的环境，所以可以很便捷地与原有有限元分析系统兼容；敏捷集群计算加速器为1U标准机箱，可以很方便地部署于各种工业现场。
附图说明
[0028]图1是本专利技术实施例提供的材料形变位移计算方法流程示意图；
[0029]图2是本专利技术实施例提供的材料形变位移计算系统结构框图。
具体实施方式
[0030]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0031]基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0032]刚度方程的求解是各类有限元分析软件的底层核心技术，消耗了大部分的计算时间。在工程实践中，由于空间和算力的限制，此规模方程组的求解往往只能依赖于向超算中心提交任务，流程繁杂，与工业现场严重脱节，影响工业生产进度。
[0033]为了解决上述技术问题，提出了本专利技术材料形变位移计算方法和计算系统的下述
各个实施例。
[0034]实施例1
[0035]参照图1，如图1所示是本实施例提供的材料形变位移计算方法流程示意图。该方法具体包括：
[0036]步骤S100：响应于获取的设计参数，构建对应结构和几何模型并生成刚度矩阵K和载荷列阵F。
[0037]具体包括以下子步骤：
[0038]步骤S101：本实施例向有限元设计软件输入材料参数、结构尺寸、外载(外力)等工业设计问题参数。
[0039]步骤S102：借助有限元设计软件，构建实际问题的结构和几何模型。
[0040]步骤S103：实现模型的单元网格剖分，如三角剖分。
[0041]步骤S104：设置物理参数和边界条件。
[0042]步骤S105：生成刚度矩阵K和载荷列阵F。
[0043]步骤S200：将刚度矩阵K按行压缩稀疏化存储至敏捷集群计算加速器中，输入载荷列阵F并选取Krylov子空间维度m、初值U0和容许误差ε。
[0044]步骤S300：通过Arnoldi过程，构建所述Krylov子空间的一组标准正交基。
[0045]步骤S400：通过最小二乘方法，计算位移U在所述Krylov本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种材料形变位移计算方法，响应于获取的设计参数，构建对应结构和几何模型并生成刚度矩阵K和载荷列阵F，其特征在于，所述方法包括：将刚度矩阵K按行压缩稀疏化存储，输入载荷列阵F并选取Krylov子空间维度m、初值U0和容许误差ε；构建所述Krylov子空间的一组标准正交基；计算位移U在所述Krylov子空间的最佳逼近U
m
；计算残差F
‑
KU
m
，若所述残差小于容许误差ε则输出所述最佳逼近U
m
作为材料形变位移；若所述残差大于容许误差ε则以所述最佳逼近U
m
作为新的初值更新所述Krylov子空间并重新计算材料形变位移。2.如权利要求1所述的材料形变位移计算方法，其特征在于，所述生成刚度矩阵和载荷矩阵具体包括：对所述几何模型进行单元网格剖分；设置物理参数和边界条件；生成刚度矩阵K和载荷矩阵F。3.如权利要求1所述的材料形变位移计算方法，其特征在于，所述设计参数包括材料参数、结构尺寸和外力参数。4.如权利要求1所述的材料形变位移计算方法，其特征在于，所述m取值为任意小于n的自然数，n为问题规模。5.如权利要求1所述的材料形变位移计算方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：席国江，陈颖，何康馨，潘灵，贾明权，刘红伟，张昊，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：