三维快速多极边界元高性能并行计算

该文实现了快速多极边界元法的一种高性能并行计算。其并行求解器基于自适应新版本快速多极边界元算法,采用三维二次等参元和等精度积分格式,并通过实测的任务量进行分布式并行环境下的合理负载划分。数值算例表明,该求解器在保持高次边界元高精度优点的基础上,对于几何形状不规则的结构仍能保持较好的并行效率,和传统边界元法相比使解题规模有了数量级的提高。这种并行计算为边界元法在大规模复杂工程问题中的应用提供了有效方案。     

用于大规模断裂分析的快速多极边界元法

将快速多极算法(FMM)应用到边界元法(BEM)中,对断裂力学问题进行大规模计算.基于对偶边界积分方程(DBIE)构造代数方程组,采用广义极小残值迭代法(GMRES)求解.利用自适应四叉树结构执行快速多极算法,系数矩阵不需要显式存储,与未知量向量的乘积通过树结构的递归操作获得,计算复杂度与存储需求均缩减为O(N)(N为问题的自由度数).此外,该文提出了一种改进的预条件方案,使GMRES的求解时间与内存消耗进一步降低.数值算例表明: 该方案在保证精度的前提下,使计算规模与计算效率有可观的提高;算例的最大规模达到了300万自由度.     

快速多极边界元方法在二维声散射问题中的应用

快速多极算法(FMM)是求解边界元方法(BEM)在大尺度情况下的一种非常有效的算法.研究了快速多极算法在二维声散射问题的边界积分方程求解中的应用.给出了积分核函数以及其共轭积分算子核函数的多极展开式,局部展开式以及相应展开系数之间的转化关系.分别应用两种不同的层级树结构的FMM来进行求解,并对两种树结构下的求解效率进行了对比.数值算例表明用快速多极算法求解该问题时在存储量和计算量上比直接求解方法效率更高.     

求解声波散射问题的边界元快速多极算法的一种新型树结构

目的 为创建一种新的树结构,进一步提高求解效率.方法 针对有界星型散射区域,应用极坐标的思想,提出一种新型的弧形单元树结构,该树结构将二维散射问题的快速多极算法的树结构由传统的四叉树结构转化为二叉树结构,进而大大提高了求解效率.结果 通过对数值例子的计算及求解效率的分析,可以看出在应用快速多极算法求解声波散射问题时,应用该二叉树结构相比原始四叉树结构时的求解效率高很多,而且精确度也较高.结论 提出的新型树结构是高效且精确的.     

三维位势快速多极虚边界元最小二乘法

将快速多极展开法(FMM)和广义极小残值法(GMRES)结合于三维位势问题的虚边界元最小二乘法,使求解方程的计算量和储存量与所求问题的计算自由度数成线性比例;欲达到数值模拟大规模自由度问题的目的.基于位势问题虚边界元最小二乘法的数值求解格式,将对角化和指数展开系数的概念引入到常规的快速多极展开法中,将三维位势问题的基本解推导为更适合于快速多极算法的展开格式,并用广义极小残值法求解方程组,旨在达到进一步提高效率且仍保证较高计算精度的目的.数值算例说明了该方法的可行性,及计算效率和计算精度.     

电场计算的快速多极子预条件高阶边界元法

针对多介质工频电场计算中低阶边界元法及预条件(GMRES)法的计算精度低及计算成本高的不足,在低阶边界元法基础上引入高阶边界元和快速多极子法,提出了一种用于求解三维电场分布的快速多极子预条件GMRES高阶边界元法。建立了三维电场计算高阶边界元模型,阐述了快速多极子预条件GMRES高阶边界元法基本原理和具体实现方法;通过双介质实验模型进行了方法验证,并基于500kV变电站部分关键设备的三维电场计算,表明该方法在电场计算精度及在内存消耗和计算时间上均比预条件GMRES法有明显的优势。最后将计算结果与实际测量值进行了比较,该方法的计算结果与测量值最大相对误差为8.65%,该方法更适合于分析变电站这种大尺度多介质环境下的工频电场分布。     

静态电场分析的多极理论—边界元耦合法

从Ｌａｐｌａｃｅ方程的积分解出发,推导出静态电场分析的多极理论－边界元耦合的公式,给出了多极理论－边界元耦合法的计算公式及其使用条件．通过对两个实例的计算表明,所建立的方法是可行的,且具有比其它数值方法更高的计算精度,可以很方便地应用于静态电场的分析与设计中．这种方法也可用于求解Ｐｏｉｓｏｎ方程的边值问题．     

二维位势问题快速多极虚边界元解

快速多极虚边界元法是近期发展起来的一种数值算法;其对大规模复杂问题的计算,能在保证求解精度的前提下,使计算量和存储量均比常规虚边界元法具有在数量级上的减少.本文给出了二维位势问题快速多极虚边界元法的求解思想,并进行了数值论证;由文中的数值结果可知,本文方法具有可行性,且有较好的计算精度.     

三维快速多极虚边界元配点法

以三维弹性力学问题为研究背景,提出了一种三维快速多极虚边界元配点法的求解思想,即将三维快速多极展开的基本思想和广义极小残值法运用于求解传统虚边界元配点法方程.文中将三维弹性问题的基本解推导为适合于虚边界元快速多极算法的展开格式,经数值计算格式的演变,使求解方程的计算量和储存量与所求问题的计算自由度数成线性比例,以达到数值模拟大规模自由度问题的目的.算例说明了该方法的可行性、计算效率和计算精度.此外,该方法的思想具有一般性,应用上具有扩展性.     

快速多极边界元法在薄板结构中的应用

基于Taylor级数多极展开研究了边界元快速多极算法(FM—BEM)，并将它应用于薄板结构。算例分析表明FM—BEM的计算时间和存储空间明显少于常规边界元迭代解法。随着问题规模的增大，这种优势将更加突出。     

一种新的用于二维弹性静力学的快速多极边界元法

快速多极边界元法(fastmultipole BEM)是近几年发展起来的边界元新型算法。本文提出了一种新型的适合二维弹性静力学问题的快速多极边界元格式，并用于含有多个夹杂的二维复合材料的应力分析。数值结果表明这种方法非常适合解决大规模问题。     

固体力学中快速多极边界元法研究进展

和快速多极方法相结合，使边界元法处理大规模工程与科学问题变得十分有效,首先概括介绍了快速多极边界元法，接着介绍其精度和效率的验证以及与常规边界元法的比较，并给出在微机机群上的快速多极边界元并行算法,给出了快速多极边界元法的一些应用，其中包括：复合材料的二维、三维模拟，含大量裂纹的二维弹性固体及其疲劳裂纹扩展的模拟．此外还介绍了用于弹塑性问题的快速多极边界元新方法．     

Fast Multipole BEM for Simulation of 2-D Solids Containing Large Numbers of Cracks

The fast multipole method was used to solve the traction boundary integral equation for 2-D crack analysis, The use of both multipole and local expansions reduces both the computational complexity and the memory requirement to O(N). The multipole expansion uses a complex Taylor series expansion to reduce the number of multipole moments, The generalized minimum residual method solver (GMRES) was selected as the iterative solver, An improved preconditioner for GMRES was developed which uses less CPU time and less memory. A new initial candidate vector for the iterative solver was developed to further improve the efficiency, The numerical examples apply the method to the analysis of cracks in infinite 2-D space with the largest model having 900 000 degrees of freedom.     

Fast Multipole BEM for 3-D Elastostatic Problems with Applications for Thin Structures

The fast multipole method (FMM) has been used to reduce the computing operations and memory requirements in large numerical analysis problems. In this paper, the FMM based on Taylor expansions is combined with the boundary element method (BEM) for three-dimensional elastostatic problems to solve thin plate and shell structures. The fast multipole boundary element method (FM-BEM)requires O(N) operations and memory for problems with N unknowns. The numerical results indicate that for the analysis of thin structures, the FM-BEM is much more efficient than the conventional BEM and the accuracy achieved is sufficient for engineering applications.     

Taylor级数多极边界元法及其在轧制工程中的应用

通过基本解的多极展开与边界元线性方程组的隐式求解方法(GMRES)相结合,开发出了快速多极边界元法。Taylor级数多极边界元法更新了传统边界元法的求解模式,大大提高了计算效率,扩大了边界元法的求解规模。介绍了Taylor级数多极边界元法的发展历史和现状,给出了Taylor级数多极边界元法的基本思想、基本原理和分类,给出了基本解的Taylor展开方法和边界积分的基本实现步骤。将该方法应用于轧制工程中,通过轧辊弹性变形和HC轧机辊系接触和变形的数值解析,说明了Taylor级数多极边界元法适合于大规模轧制工程     

Large Scale Analysis of Mechanical Properties in 3-D Fiber-Reinforced Composites Using a New Fast Multipole Boundary Element Method

Fiber-reinforced composites are commonly used in various engineering applications. The mechanical properties of such composites depend strongly on micro-structural parameters. This paper presents a new boundary element method (BEM) for numerical analysis of the mechanical properties of 3-D fiber-reinforced composites. Acceleration of the BEM is achieved by means of a fast multipole method (FMM), in allowing large scale simulations of a finite elastic domain containing up to 100 elastic fibers to be performed on one personal computer. The maximum number of degrees of freedom can reach a value of over 250 000. The effects of several key micro-structural parameters on the local stress fields and on the effective elastic moduli of fiber-reinforced composites are evaluated. The numerical results are compared with analytical predictions and good agreement is observed. The results show that the fast multipole BEM could be a prom- ising tool for further understanding of the mechanical behavior of such composites.     

多目标成本下的集装箱船快速配载

为实现集装箱船的快速配载,在保证集装箱船结构强度和稳定性前提下,引入甲板下集装箱区配载问题(CSPB-DL),建立整数规划模型,设计相应的启发式算法,对实际集装箱(具有3个重量等级和4个目的港)进行配载,得到配载图.利用GAMS软件检验该配载方案的优化程度.结果表明,该配载方法在平均14 s内可使94％的集装箱成功实现配载,并使90％以上的集装箱实现最优配载,配载成本趋向最小.     

Multipole BEM for 3-D Elasto-Plastic Contact with Friction

The analysis of 3-D elasto-plastic contact with friction is a highly nonlinear problem. The elements in the contact and plastic zones should be refined to obtain accurate information about the real size,displacement, and traction in the contact zone. However, the increase in the number of degrees of freedom is limited when traditional boundary element method (BEM) is used with the larger memory size and long CPU time required for the solution procedure. This paper describes the additional mathematical friction model to the 3-D elastic multipole BEM to develop a 3-D elasto-plastic contact multipole BEM. Numerical tests show that with this new method, the needed computer memory size is only 2% of the traditional BEM model with friction, which erases large-scale computing with refined meshes and improves the computational accuracy.     

压力容器接管区应力强度因子的数值分析

该文针对压力容器接管区高峰应变的特征,在不同孔径异形模拟试板应力应变场的光弹性分析基础上,应用奇异等参元,分析了裂纹尖端处应力强度因子,数值结果表明,与双参数法获得的应力强度因子较为吻合,为压力容器接管部位的设计和裂纹疲劳扩展分析提供了可靠依据。     

压力容器高应变部位应力场试验和数值分析

针对压力容器接管区高峰应变、高应变剃度、强大的弹性约束和应变峰值呈单向应力状态的特征,在压力容器接管模拟试板的基础上,对多种孔径的异型板应力应变场进行光弹性试验研究并建立有限元模型,分别就不带裂纹和带有裂纹的异型板进行应力分析。数值结果表明,高峰应变区的应力集中与试验结果较为吻合,为异型板设计的合理性和裂纹扩展分析提供了可靠依据。