close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Вычислительные методы решения почти сингулярных систем линейных алгебраических уравнений в алгоритмах геометрически нелинейного анализа устойчивости стержневых систем.

код для вставкиСкачать
9
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
УДК 519.612: 624.074.5.06
В. В. Галишникова
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ПОЧТИ СИНГУЛЯРНЫХ СИСТЕМ
ЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ В АЛГОРИТМАХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИ
НЕЛИНЕЙНОГО АНАЛИЗА УСТОЙЧИВОСТИ СТЕРЖНЕВЫХ СИСТЕМ
Российский университет дружбы народов
galishni@gmail.ru
В работе приведен анализ двух численных методов решения почти сингулярных систем алгебраических уравнений:
метода дефляции и метода стабилизации. Дано заключение о возможности их применения в алгоритмах продолжения
решения в сингулярных точках пространственных стержневых конструктивных систем.
Ключевые слова: линейные алгебраические уравнения, сингулярные матрицы жесткости, численные методы, алгоритмы и программы.
V. V. Galishnikova
COMPUTATIONAL METHODS FOR SOLVING NEARLY SINGULAR SYSTEMS
OF LINEAR ALGEBRAIC EQUATIONS IN ALGORITHMS OF GEOMETRICALLY
NONLINEAR STABILITY ANALYSIS OF SPACE TRUSSES
People’s Friendship University of Russia
The two numerical methods for solving nearly singular systems of linear equations, namely deflation and stabilization methods are presented in the paper. A conclusion is made on the possibility of application of these methods in algorithms for continuation of load paths of space trusses beyond singular points.
Key words: linear algebraic equations, singular stiffness matrices, numerical methods, algorithms and programs.
Потеря устойчивости является неотъемлемой проблемой нелинейного поведения конструктивных систем. Необходимым условием неустойчивости мгновенного состояния конструкции является сингулярность матрицы ее касательной жесткости. Однако это условие не
является достаточным. Конструкция в точке
сингулярности является неустойчивой если при
бесконечно малом перемещении в направлении
собственного вектора, соответствующего нулевому собственному значению матрицы касательной жесткости, нагрузка уменьшается.
Вычисление точек бифуркации гибких,
подверженных большим деформациям конструкций, а также продолжений траекторий их
нагружения после прохождения этих точек остается одной из сложнейших задач вычислительной механики. В окрестностях сингулярных точек матриц касательной жесткости произведение собственных значений содержит, по
крайней мере, одно значение, почти равное нулю. Определитель матрицы почти равен нулю,
и система разрешающих уравнений становится
плохо определенной. Вследствие этого, методы
решения нелинейных уравнений в окрестностях
сингулярных точек становятся ненадежными.
Решения почти сингулярных систем уравнений могут быть получены при помощи специальных методов. В работе Вагнера [1], предлагаются несколько методов решения почти
сингулярных систем разрешающих уравнений,
которые, как считает автор, позволяют вычислять траектории продолжения решения в случае, когда известно состояние системы с наименьшим собственным значением.
В данной работе выполнен анализ двух методов: метод дефляции и метод стабилизации.
Демонстрируется, что метод дефляции сходится
к решению в предельной точке, тогда как метод
стабилизации такой сходимости не имеет.
Метод дефляции
Рассмотрим почти сингулярную систему
линейных инкрементальных уравнений с симметричной матрицей коэффициентов K, вектором инкрементов перемещений d и вектором
инкрементов нагрузок p :
K d = p.
(1)
Обозначим множество ортонормальных собственных состояний матрицы K как (ωi , xi ) ,
i = 1, …, n – 1, где n – размерность матрицы:
K =
n −1
∑ω x x
i =0
i
i
T
i
,
xTi x m = δim .
(2)
Здесь ωi – собственное значение матрицы
K, xi – собственный вектор матрицы K.
Все собственные значения почти сингулярной матрицы K отличны от нуля. Представим
инкременты перемещений и нагрузок в виде
линейных комбинаций собственных векторов:
10
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
n −1
∑c x
d =
k
k =0
n −1
∑θ
p =
m=0
m
,
(3)
xm .
(4)
k
Подставим выражения (2)–(4) в уравнение (1):
n −1
n −1
∑ω x x ∑c x
i =0
i
i
T
i
k =0
k
k
=
n −1
∑θ
m=0
m
xm .
(5)
Так как собственные векторы ортонормальны, выражение (5) сводится к следующему:
n −1
∑ω c x
i i
i =0
i
=
n −1
∑θ
m=0
m
xm .
(6)
Сравнение коэффициентов при собственном векторе в правой и левой частях уравнения (6) позволяет записать выражение, связывающее коэффициенты данного собственного
состояния:
ωi ci = θi , i ∈{0,..., n − 1} .
(7)
Пусть известно собственное состояние
(ω0 , x 0 ) с наименьшим собственным значением
ω0 . Коэффициенты c0 и ω0 для этого собственного состояния могут быть вычислены независимо от того, известны ли другие собственные состояния матрицы K . Найдем коэффициент θ0 , умножив уравнение (4) слева на собственный вектор xT0 :
θ0 = xT0 p .
(8)
Коэффициент c0 следует из выражения (7):
θ
c0 = 0 .
(9)
ω0
Если собственное состояние (ω0 , x0 ) оказывает преобладающее влияние на решение уравнения (1), необходимо устранить известный
вклад этого собственного состояния в решение,
вычтя вектор c0 x 0 из основного уравнения (1).
Для этого используем следующие равенства:
c0 K x0 = c0 ω0 x 0 = θ0 x 0 .
(10)
Вычтем уравнение (10) из уравнения (5):
n −1
n −1
n −1
i =1
k =1
m =1
∑ ωi xi xTi
∑ ck x k =
∑
θm x m .
p0 =
n −1
∑ ck xk =
d − c0 x0 ,
(12)
∑θ
p − θ0 x 0 .
(13)
k =1
n −1
m =1
m
xm =
Пример дефляции
Рассмотрим следующую систему инкрементальных разрешающих уравнений, которая является почти сингулярной и плохо обусловленной:
0.147431000
14.469023000
(11)
Оставшиеся в уравнении (11) суммы обозначим, как z 0 и p 0 :
z0 =
Подставим выражения (12) и (13) в уравнение (11):
K z 0 = p0 .
(14)
Так как матрица K не является сингулярной, уравнение (14) может быть решено относительно дефлированного (“deflated”) вектора
инкрементов перемещений z 0 . Подставив
инкремент z 0 в уравнение (12), получим решение d уравнения (1).
Алгоритм решения почти сингулярных
уравнений методом дефляции может быть
кратко описан следующим образом:
1. Вычисляются собственные значения матрицы коэффициентов системы уравнений, выбирается наименьшее по модулю собственное
значение и вычисляется соответствующий ему
собственный вектор.
2. Вычисляется коэффициент θ0 по формуле (8). Вектор инкрементов нагрузок дефлируется в соответствии с уравнением (13).
3. Уравнение (12) решается относительно
дефлированного вектора инкрементов перемещений z 0 .
4. Вычисляется коэффициент c0 по формуле (9). Из уравнения (12) находится полный
вектор инкрементов перемещений d .
Из уравнения (9) можно предположить, что
решение уравнения (1) сходится к собственному вектору x0 по мере того, как траектория нагружения приближается к сингулярной точке
и матрица K становится сингулярной. Коэффициент c0 при этом возрастает и становится
доминирующим в уравнении (3).
=
14.469023000
1327.394235000
u0
u1
=
−0.078864000
.
−3.617205000
Вычисленные собственные состояния матрицы коэффициентов:
ω0 = − 0.010284771; x0 =
−0.999940598
0.010899589
;
11
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
ω1 = 1327.551950770; x1 =
0.010899589
0.999940598
.
Сингулярная матрица в окрестности заданной матрицы будет равна:
0.157714549
14.468910907
K0 =
14.468910907
.
1327.394236222
Вычислим коэффициент θ0 , после чего
выполним дефляцию правой части системы
уравнений:
θ(0)
= xT0 p = − 0.0394332680 ,
0
p − θ(0)
0 x0 =
−0.039433074
−3.617634806
.
Решение системы с поправленной правой
частью дает дефлированный вектор инкрементов перемещений:
d (1)
=
0
−0.000029704
−0.002725042
.
Вычислим коэффициент
−0.0394332680
= 3.834141567 .
c0 =
−0.010284771
Подставив значения c0 и
d(1)
0 в уравне-
ние (3), вычислим искомый вектор инкрементов перемещений:
−0.000029704
=
d=
−0.002725042
+ 3.834141567
=
−0.999940598
0.010899589
=
3.833884301
−0.044515611
Проверка показывает, что при подстановке вектора d в исходную систему уравнений, погрешность вычисленного вектора
нагрузок относительно заданного имеет порядок O[10−9 ] .
Применение дефляции к решению
систем уравнений МКЭ
Рассмотрим почти сингулярную систему
линейных уравнений вида K d = q + r , которая
включает свободные перемещения d1 , заданные перемещения d 2 , соответствующие им
нагрузки q1 и q 2 , и реакции r2 . Уравнения
в системе сгруппированы следующим образом:
K11
K12
d1
K 21
K 22
d2
=
q1
q2
+
0
r2
. (15)
Пусть матрица-блок K11 почти сингулярна,
а пара (ω0 , x10 ) представляет собой ее собственное состояние с наименьшим по абсолютной величине собственным значением ω0 .
T
K11 x10 = ω0 x10 ∧ ω0 ≠ 0 ∧ x10
x10 = 1 .
(16)
Инкремент перемещений x10 вызывает инкремент реакций r20, который равен произведению блока матрицы касательной жесткости
K 21 и собственного вектора x10 . Собственный
вектор x10 занимает верхние строки вектора
x0 , размерность которого равна размерности
матрицы K. Вектор реакций r20 занимает нижнюю часть вектора r0 , размерность которого
также равна размерности матрицы K.
K x 0 = ω0 x0 + r0 , или
K 11
K 21
K 12
K 22
x10
0
= ω0
x10
0
+
0
, (17)
r20
где r20 = K 21 x10 .
Здесь x 0 – собственный вектор системы, r0–
собственный вектор реакций системы, r20 – реакции, вызванные перемещениями r10.
В системе уравнений (15) дефляции подвергается блок q1 вектора нагрузок, после чего,
следуя процедуре, описанной в предыдущем
разделе, вычисляется дефлированный блок вектора перемещений:
T
q1 = q1 − θ0 x10 , где θ0 = x10
q1 ;
(18)
d1 = d1 − c0 x0 , где c0 = θ0 ω0 .
Вектор нагрузок системы q и вектор перемещений системы d дефлируются путем замены
блоков q1 и q1 на их дефлированные версии:
q = q − θ0 x 0 ,
d = d − c0 x 0 .
(19)
Умножив уравнение (17) на коэффициент
c0, и вычтя его из уравнения (15), получим:
K (d − c0 x0 ) = (q − θ0 x0 ) + ( r − c0 r0 ) , (20)
(21)
или K d = q + r ,
где r = r − c0 r0 – дефлированный вектор реакций (22).
В результате решения этого уравнения будут
получены дефлированные векторы перемещений
и реакций. Полные векторы перемещений и реакций находятся из уравнений (19) и (22):
d = d + c0 x 0 , r = r + c0 r0 .
(23)
12
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Метод стабилизации
Рассмотрим почти сингулярную систему
линейных инкрементальных уравнений (1).
Пусть при разложении матрицы K в форме
K = L DLT коэффициент, стоящий в i-й строке
диагональной матрицы D обращается в ноль.
Матрицу Ka будем называть стабилизированной матрицей, связанной с K, если их диагональные коэффициенты отличаются на некоторую заданную константу c :
K a = K + c ei eTi ,
(24)
где ei – единичный вектор с коэффициентом 1
в строке i.
Член cei eTi d добавляется к обеим частям
уравнения (1):
K a d = p + c ei eTi d ,
(25)
Параметр c выбирается таким образом,
чтобы матрица K a не была сингулярной. Умножим уравнение (25) слева на матрицу, обратную матрице Ka:
d = K −a 1 p + c (eTi d) K −a 1ei .
(26)
Векторы правой части уравнения (26), обозначим v1 и v 2 :
v1 = K −a 1 p ;
K a v 2 = ei , v 2 = K −a 1 ei .
Тогда уравнение (26) запишется следующим образом:
K a v1 = p,
d = v1 + c (eTi d) v 2 .
(27)
Умножим уравнение (27) слева на транспонированный единичный вектор eTi и решим
получившееся уравнение относительно скалярного произведения eTi d :
eTi d =
eTi v1
.
(28)
1 − c (eTi v 2 )
Подставив выражение (28) в уравнение (26), получим инкремент перемещений в уравнении (25):
d =
v1 +
c eTi v1
(29)
v2 .
1 − c (eTi v 2 )
Из уравнения (29) видно, что когда параметр c стремится к нулю, стабилизированная
матрица K a стремится к почти сингулярной
матрице K, а стабилизированное решение d
стремится к значению
v1 = K −1 p .
(30)
Приведенный вывод уравнений метода стабилизации демонстрирует, что получаемое решение при приближении к сингулярной точке не
сходится к величине, кратной собственному вектору, соответствующему наименьшему собственному значению матрицы касательной жесткости.
Выводы
В результате выполненного анализа методов дефляции и стабилизации были сделаны
следующие выводы:
1. Метод дефляции обладает высокой точностью решения систем плохо обусловленных
систем линейных алгебраических уравнений
и может быть применен к решению задач нелинейного деформирования и устойчивости конструктивных систем.
2. Метод стабилизации не дает сходимости
решения к величине, кратной собственному
вектору, соответствующему наименьшему собственному значению матрицы касательной жесткости в сингулярной точке. Поэтому метод
стабилизации не может быть использован для
продолжения траектории нагружения в сингулярных точках.
Заключение
В соответствии с результатами исследования,
в алгоритме продолжения решения, разработанном автором данной статьи для анализа нелинейного деформирования и устойчивости пространственных стержневых систем, использован метод
дефляции. Алгоритм реализован в составе программного приложения SpaceTruss, предназначенного для расчета пространственных стержневых конструкций на деформации и устойчивость
в геометрически нелинейной постановке. Выполненные тестовые примеры, описанные в работах
автора [2–4] продемонстрировали надежность
и устойчивую работу алгоритма, а также высокую точность получаемых результатов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Wagner, W.: “Zur Behandlung von Stabilitätsproblemen der Elastostatik mit der Methode der Finiten Elemente”,
Foschungs – und Seminarberichte aus dem Bereich der
Mechanik der Universität Hannover, F91/1 (1991).
2. Галишникова В. В. Аналитическое решение нелинейной задачи устойчивости и исследование закритического поведения трехстержневой фермы // Вестник Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. сер.: Естеств. науки. 2006.
вып. 6(23). – С. 53–64.
3. Galishnikova V. V. Stability Analysis of Space Trusses //
International Journal for Computational Civil and Structural
Engineering. 2009. Volume 5, Issue 1&2. Pp. 35–44.
4. Galishnikova V. V. Solving the Unsolvable: Unusual
Formulations in Computational Mechanics // Proceedings of
EG-ICE Conference “Computing in Engineering”. Berlin,
2009. Pp. 113–123.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа