收稿日期 :2009‐05‐08 ;修改稿收到日期 :2010‐10‐28畅
基金项目 :国家杰出青年基金(10725208) ;高等学校博士点
学科专项科研基金(20070532021)资助项目 畅
作者简介 :张 正 (1981‐) ,男 ,博士生 ;
韩 旭
﹡
(1968‐) ,男 ,博士 ,教授
(E‐mail :hanxu@ hnu .edu .cn) .
第28卷第5期
2011 年 10 月
计 算 力 学 学 报
Chinese Journal of Computational Mechanics
Vol .28 ,No .5
October 2011
文章编号 :1007‐4708(2011)05‐0798‐05
一 种 新 的 减 基 法 中 的 采 样 方 法 及 误 差 估 计
张 正 , 韩 旭
倡
, 姜 潮
(湖南大学 汽车车身先进设计与制造国家重点实验室 ,长沙 410082)
摘 要 :针对减基法中求解精度受减基空间完备性影响的问题 ,提出了一种基于向量空间逼近原理的采样方法及
相应的误差估计 。 该方法使每一步采样得到的特征向量与之前已得到的特征向量所张成的向量空间角度最大 ,
从而保证了每步采样所对应的特征向量都具有最弱相关性 ,进而使最终得到的特征向量基空间更具完备性 。 并
且由该方法产生了一种先验特征值误差界 ,使得减基法所产生的特征值误差能被控制在预先设定的范围之内 。
文中算例显示了该方法的有效性 。
关键词 :减基法 ;动力学 ;采样法 ;特征值误差 ;瞬态响应
中图分类号 :TB123 文献标志码 :A
1 引 言
在用有限元方法分析大型工程结构动力问题
时 ,由于系统几何参数或物理参数的改变 ,往往会
导致系统结构特征矩阵的重新计算 ,进而使计算的
实时性降低 。 近年来 ,应用减基法计算这些问题
时 ,由于把系统的特征矩阵进行参数分离并投影到
低维的减基空间中进行处理 ,从而克服了因几何参
数或物理参数的改变所造成的计算耗时问题 ,并能
获得相对较高的数值计算精度 。 该方法越来越受
到国内外学者的关注 ,已被应用于多种力学问题的
计算
[1‐6]
,尤其是处理大型多自由度系统的瞬态响
应
[7 ,8]
时 ,具有很强的优势 。 对于减基法 ,除了求
解算法外 ,在前处理采样中如何有效地选取用以构
造减基空间的采样点无疑是其重要方面 ,也是目前
减基法研究的薄弱环节 。 在减基法中 ,对单参数问
题的采样方法有对数采样法 、等间隔均匀采样法 、
切比雪夫采样法等
[9]
,而对多参数问题的采样方法
一般采用实验设计方法
[10]
(如正交实验设计 、拉丁
超立方实验设计等) 。 但这些方法由于只是从后验
误差的角度去评价所选采样点的合理性 ,故难以保
证采样点所构成的减基空间的完备性 ,从而影响到
减基快速计算的精度 。 并且采用实验设计方法进
行采样时对初始点选取的依赖性也很高 ,由此带来
的误差难以有效控制 。
本文基于向量空间逼近思想 ,针对动力学减基
法提出了一种新的参数域采样方法 。 该方法除了
能使采样点对应的特征向量之间具有最弱的相关
性外 ,还能保证构造的减基空间更具完备性 。 并且
该采样法不依赖于初始点的选取 ,从而避免了因不
同初始点选取所带来的不确定误差 。 同时 ,通过对
特征向量空间逼近程度的控制还能得到特征值的
先验误差界 。 本文以平面刚架系统为例 ,通过特征
值误差界的试验和平均瞬态响应误差的对比 ,验证
了该采样方法的可靠性和有效性 。
2 问题的提出
用有限元方法分析弹性力学系统时 ,可以得到
它的广义特征方程
[11 ]
为
K(
μ
)
矱
(
μ
) =
λ
(
μ
)M(
μ
)
矱
(
μ
) (1)
式中
μ
∈
D 表示输入系统的参数 ,包括几何参数 、
物理参数等 ,D
炒
R
m
表示参数域 ,m表示参数域维
数 ,K(
μ
) 和 M(
μ
) 分别为刚度矩阵和质量矩阵 ,
矱
(
μ
) 为广义特征向量 ,
λ
(
μ
) 为广义特征值 ,均为
μ
的函数 ,式(1) 的阶数用A
`
表示 ;当参数
μ
改变时 ,
系统的广义特征值和广义特征向量需要依据式(1)
重新确定 ,当式(1)的阶数A
`
很大时 ,求解则非常费
时 。为了提高计算效率 ,引进减基法 ,使得问题的求
解在由采样点对应的特征向量张成的低维空间中