基于重叠边界的有限元与离散元耦合异步长并行计算方法

为了减少有限元和离散元耦合领域问题的计算时间,本文建立了有限元-离散元耦合异步长并行计算方法。整个计算模型分为有限元和离散元两类计算区域,根据每个子域单元特性选择合适的积分时间步长。每个子分区均采用显式时间积分格式进行求解,采用重叠边界法处理边界耦合问题,不涉及子循环过程的插值和截断过程。数值算例表明该方法在保证高精度的同时有效降低了计算时间。

结构-地基动力相互作用时域数值分析的显-隐式分区异步长递归算法

动力相互作用时域数值分析的精度与效率是面向大规模工程问题解决的重要问题。在阻尼溶剂抽取法模拟地基无限域动力性质的基础上,提出并发展了结构–地基动力相互作用时域数值分析的显–隐式分区异步长递归算法,分别在结构、地基分区计算中进行大步长隐式与小步长显式求解,而且采用预报–校正显式积分与Newmark隐式积分,具有相同的运动量数值积分假定,可自然满足分区交界面位移协调性条件。在满足工程精度要求的条件下,分区异步长显–隐式求解算法使动力相互作用时域数值计算效率较传统小步长显式积分算法得到大幅度提高,可明显促进阻尼溶剂抽取法在大规模工程问题分析中的应用。并就积分时间步长、结构–地基交界面异步长内插格式及位移协调性关系对结构动力响应的影响进行数值对比研究,可为具体计算中的参数选择提供依据。

混凝土坝仿真计算的并层算法和分区异步长算法

施工过程的温度场变化对混凝土坝的应力状态有重要影响，但混凝土坝常分为几十甚至几百层施工，因龄期不同，各层具有不同的变形特性，用有限元方法进行仿真计算十分困难。通过研究提出了一整套新的计算方法：（１）提出了仿真并层算法，使原来的几百层减少为一二十层，计算中充分考虑了分层施工的影响。（２）提出了并层坝块接缝单元，使各坝块可单独上升和并层，并不受基础计算网格的影响。（３）提出了弹性徐变应力场和温度场的分区异步长解法，使新混凝土采用小的时间步长（０．２ｄ～０．５ｄ），而广大范围的老混凝土采用大的时间步长（１０ｄ～３０ｄ），从而大大提高计算效率。本文提出的这一套方法，使混凝土坝仿真计算问题得到了解决。

不稳定温度场数值分析的分区异步长解法

本文提出分区异步长解法以求解不稳定温度场，即在温度变化剧烈的区域采用较小的时间步长，而在温度变化速率很小的区域，采用较大的时间步长，从而可大大提高计算效率．

弹性徐变体有限元分区异步长算法

本文提出在弹性徐变体有限元分析中采用分区异步长算法，即在局部范围内采用小步长，而在其余广大范围内，采用大步长，从而使计算得到简化．

用于抽水蓄能电站大坝不稳定温度场仿真的水平分区异步长解法

对于抽水蓄能电站(PSPS)的拦河大坝上游迎水面,由于水库水位周期性升降变化,会出现与水、气等不同介质接触的交替变化现象.将具有这种现象的迎水坝面边界称之为特殊边界.这种交替变化的边界条件对特殊边界表面及其影响范围内的温度场分布将产生较大的影响,在温度仿真分析中不能忽略.提出了考虑特殊边界影响的抽水蓄能电站大坝不稳定温度场水平分区异步长解法,在分析特殊边界特征的基础上,对水平分区异步长解法的基本原理进行了推导,并提出了等效放热系数的概念,从平均意义上近似考虑表面混凝土与不同介质接触时放热系数处于变化的问题,给出了水平分区界限的位置范围.将该解法用于呼和浩特PSPS下水库拦河坝的不稳定温度场的仿真分析中.结果表明,提出的方法是有效和省时的,并为计算更为复杂耗时的温度应力场提供了可能.最后,对严寒地区特殊边界处可能出现的结冰与解冻问题进行了初步探讨.

稀疏求解的动力学显隐混合异步长交错计算方法

显隐混合方法是分析复杂精细结构动力学问题的经典方法。此类方法处理不同分区边界数据时常涉及插值过程,易造成计算不稳定,同时单一的时间步长会造成计算资源的浪费。基于多重边界网格,提出一种改进的显隐混合异步长计算方法。该方法采用节点分割将有限元模型划分为显式与隐式分区,不同分区采用兼容格式的预测校正Newmark积分格式。多重网格使得显式分区预测波形在边界重叠网格完整传递,显式分区节点数据直接求解。隐式分区采用稀疏存储行压缩CRS格式,节点数据由稀疏直接求解器求出。显式与隐式分区串行交替高效求解。数值算例表明,相比于显隐混合固定界面边界数据插值方法,本文方法精度较高,且进一步降低了动力学分析的计算时间。

面向杆系结构的离散元异步长计算方法

为了提升离散元法处理连续介质问题的计算效率,提出一种基于重叠颗粒的离散元分区异步长计算方法来处理连续介质问题。该方法采用颗粒分割将连续介质划分为若干子分区,各分区采用velocity-Verlet积分格式求解运动方程。相邻分区通过重叠颗粒构成局部耦合区域,边界数据传递过程中不涉及插值和截断过程。数值算例表明,该方法在保证高精度的同时有效地降低了计算时间。在实际应用中可以有针对性地将连续介质划分为不同尺度颗粒的分区,根据问题规模及分区颗粒尺度特性采用不同时间步长,节省存储空间且大幅提升计算效率。

异步LC-DS-CDMA信号的盲解扩

针对低信噪比下异步长码直接序列码分多址(direct sequence-code division multiple access, DS-CDMA)信号伪码序列难以估计的问题,提出一种基于嵌套迭代最小二乘投影和库搜索算法相结合的盲解扩方法。该方法先将接收到的异步长码DS-CDMA信号建模成含有缺失数据的短码DS-CDMA信号,并使用重叠窗对信号进行分段构造观测数据矩阵。然后,使用最大似然理论对其进行数学建模,并用嵌套迭代最小二乘投影算法实现各用户伪码序列片段的粗提取。最后,将提取出来的伪码序列在有限长的生成多项式库中进行匹配搜索,从而得到该序列的生成多项式。仿真实验及理论分析验证了该方法对异步长码DS-CDMA信号伪码序列估计的有效性。

基于动力特征分区的显式-精细混合积分法

大型动力系统中常因局部的高频振动及非线性等特性限制了系统的积分步长而导致整体计算量激增,针对此问题提出一种分区域异步长显式—精细混合积分方法。在特性复杂的局部区域采取显式积分法,根据精度和稳定性要求取较小的时间步长求解;在其余常规区域则应用精细积分方法,采取可以跨越显式积分区周期的大积分步长求解。对于精细积分区域边界荷载,提出一种基于离散FFT变换的线性项与主频谐波项的组合表示方法,并给出了此种荷载形式下的精细积分计算格式。数值算例结果表明该法能够明显提高计算效率,在显式积分区域和精细积分区域都有很高的精度。

混凝土高坝仿真分析的混合算法

我国混凝土坝最大高度已达300 m,由于应力水平高,高坝应力比较重要,需进行仿真分析,笔者提出的分区异步长算法。可使仿真计算的时间减少,计算效率提高,本文提出混凝土高坝仿真分析的混合算法,即在仿真分析中,温度场采用常规有限元算法,应力场采用分区异步长算法。由于温度场计算本来就比较快,而且计算条件较复杂,采用常规算法,程序较简单,费时也不多。应力场计算量大,采用分区异步长算法,可有效节省计算时间,本文提出的混合算法兼顾了计算精度与计算效率两方面的要求。

基于ANSYS-MATLAB联合仿真的大跨铁路悬索桥行车分析

针对大跨铁路悬索桥结构复杂、几何非线性显著的特点开展行车动力分析,提出了一种ANSYS与MATLAB实时交互、联合仿真的列车-轨道-桥梁耦合振动分析方法;在ANSYS内建立悬索桥和轨道结构精细有限元模型,在MATLAB内基于多刚体动力学理论组装车辆质量、阻尼和刚度矩阵,并将轨道结构动力微分方程系数矩阵导至MATLAB中;分别建立悬索桥子系统、轨道-车辆子系统的动力微分方程,然后基于异步长策略,以大时间步长在ANSYS内考虑主缆几何刚度,并通过更新结构刚度矩阵来求解悬索桥子系统振动响应,以小时间步长在MATLAB内考虑轮轨空间接触关系,并通过施加轨道不平顺来求解轨道-车辆子系统动力响应,2种计算软件通过实时交换数据实现子系统之间的耦合求解;通过分析某单跨铁路简支梁桥的实测数据验证了该方法的正确性,并利用该联合仿真方法对主跨为660 m的某铁路悬索桥进行了行车动力计算。分析结果表明:随着车速的提高,桥梁动力响应增大,行车安全性与平稳性趋于恶化;在车速不大于180 km·h-1的工况下,该悬索桥能够满足行车安全性要求;在列车动力荷载作用下,不考虑悬索桥几何刚度会导致跨中竖向位移产生7.4%的计算误差;考虑几何刚度、不更新桥梁刚度矩阵导致的桥梁与列车响应计算误差均不超过1%,能够满足工程计算精度需求。可见,提出的联合仿真方法可用于大跨柔性铁路桥梁的行车动力分析。

关于“混凝土高坝温度应力仿真分析的三分区算法”的讨论

董福品等在文献[1]中称：“本文提出三分区算法，其基本思路是把混凝土分为3个区，即新混凝土区、过渡区和老混凝土区，在新混凝土区采用小的时间步长，在过渡区和老混凝土区采用比较大的时间步长。”必须指出，董文的三分区算法就是笔者1995年在文献[2—3]中提出的分区异步长算法。下面扼要说明笔者提出的分区异步长算法。