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将矩阵幂迭代法与移频技术相结合,建立了一种新的结构动力缩聚方法。该方法首先应用矩阵幂迭代法对结构的初始有限元模型进行一次缩聚,计算初始缩聚模型的特征值,然后通过判断低阶特征值的收敛情况确定移频位置,选择合适的移频值,建立移频后的广义特征方程;再根据矩阵幂迭代法迭代计算新的广义特征方程的动力缩聚矩阵,经迭代收敛后得到精确的缩聚有限元模型。数值算例表明,文中的方法是可行的,在满足高的缩聚精度时具有收敛速度更快的优点。
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收稿日期 :2009‐03‐17 ;修改稿收到日期 :2010‐06‐02畅
作者简介 :张安平
倡
(1979‐) ,男 ,博士生 ,助理研究员
(E‐mail :zapnuaa@
y
ahoo .cn) ;
陈国平(1956‐) ,男 ,教授 ,博士生导师 .
第28卷第2期
2011 年 4 月
计 算 力 学 学 报
Chinese Journal of Computational Mechanics
Vol .28 ,No .2
April 2011
文章编号 :1007‐4708(2011)02‐0168‐05
一 种 新 的 有 限 元 模 型 移 频 动 力 缩 聚 法
张安平
倡 1 ,2
, 陈国平
1
(1 .南京航空航天大学 航空宇航学院 ,南京 210016 ;2 .南京航空航天大学 无人机研究院 ,南京 210016)
摘 要 :将矩阵幂迭代法与移频技术相结合 ,建立了一种新的结构动力缩聚方法 。 该方法首先应用矩阵幂迭代法
对结构的初始有限元模型进行一次缩聚 ,计算初始缩聚模型的特征值 ,然后通过判断低阶特征值的收敛情况确定
移频位置 ,选择合适的移频值 ,建立移频后的广义特征方程 ;再根据矩阵幂迭代法迭代计算新的广义特征方程的
动力缩聚矩阵 ,经迭代收敛后得到精确的缩聚有限元模型 。 数值算例表明 ,文中的方法是可行的 ,在满足高的缩
聚精度时具有收敛速度更快的优点 。
关键词 :有限元模型 ;动力缩聚 ;矩阵幂迭代 ;移频
中图分类号 :O327 ;TB122 文献标志码 :A
1 引 言
结构有限元模型的自由度规模一般都非常大 ,
阶次非常高 ,但是在工程界通常只对低阶频段感兴
趣 ,因此结构动力缩聚法被应用于有限元模型的降
阶 ,利用缩聚模型进行振动控制 、故障诊断及有限
元模型修正等 。
Guyan
[1]
在 1965 年首次提出了一种有限元模
型的静力缩聚方法 ,该方法将有限元模型的自由度
分为主自由度和副自由度 ,完全忽略副自由度上惯
性力的影响 ,因此导致 Guyan 缩聚模型用于动力
分析时的精度非常低 。 为了提高缩聚模型的精度 ,
不断有学者以 Guyan 的静力缩聚方法为基础 ,提
出了各种动力缩聚方法 ,将惯性力的影响计入缩聚
模型中 ,通过对动力缩聚矩阵反复迭代 ,最后获得
高精度的缩聚模型 ,典型的有 Friswell 的迭代改进
缩聚(IIRS)法
[2]
和张德文的逐级近似缩聚 (SAR)
法
[3]
。 文献[4]提出了一种加速迭代动力缩聚的方
法 ,只是从不同的方式推导得到与 SAR 法相同形
式的迭代动力缩聚矩阵公式 ,但是改进了初始迭代
动力缩聚矩阵 。 文献[4]将所提方法与 IIRS 法和
SAR 法进行了比较 ,比 IIRS 法的收敛速度快许
多 ,但是仅比 SAR 法的收敛速度有些提高 。
许多迭代动力缩聚法在计算动力缩聚矩阵时
需要引入缩聚模型的质量矩阵和刚度矩阵 ,因此计
算量大 、收敛速度慢 。 文献[5 ,6]利用求解广义特
征值问题的子空间迭代法 ,提出了一种逆迭代动力
缩聚技术 ,该方法推导过程简单 ,并且动力缩聚矩
阵的计算与缩聚模型的质量矩阵和刚度矩阵等参
数无关 ,因此计算量较小 、收敛速度较快 、缩聚精度
也较高 ,是一种比较优秀的算法 。 随着近十几年来
加速子空间迭代的算法得到不断发展 ,其中文献
[7]提出的矩阵幂迭代法比逆迭代法能更快提高收
敛速度 。
移频技术已经被认为是一种有效的加速中小
规模特征值问题收敛率的方法 。 子空间迭代过程
中需要对刚度矩阵求逆 ,如果刚度矩阵奇异 ,可以
通过移频的思想获得新的正定刚度矩阵 。 子空间
迭代过程中如果相邻两阶的特征值很接近 ,收敛速
度会非常慢 ,也可以通过移频的方法加速收敛 。 经
验显示 ,必须仔细地选择移频值 ,移频不好经常导
致矩阵奇异 ,为此有很多学者对移频的取值进行了
研究
[8‐11 ]
。 文献[12]提出了一种基于矩阵广义逆
的有限元模型动力缩聚移频迭代法 ,通过对特征方
程实施移频技术来提高迭代收敛速度 。 但是该方
法对移频值的选择比较简单 ,当刚度矩阵正定时 ,
选取比第一阶特征值小的任意正数为移频值 ,并且
该方法中动力缩聚矩阵的计算与缩聚模型的质量
矩阵和刚度矩阵等参数有关 ,计算量较大 。 文献
[12]将所提方法与 IIR 法进行了比较 ,在迭代次数
相同的情况下 ,比 IIR 法的收敛速度快 。
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weixin_38682279
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