Научная статья на тему 'Параллельные алгоритмы вычисления матриц жесткости конечных элементов высокого порядка многомерных задач матфизики'

Параллельные алгоритмы вычисления матриц жесткости конечных элементов высокого порядка многомерных задач матфизики Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
115
61
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Матвеев А. Д., Немировский Ю. В.

Описываются параллельные алгоритмы построения матриц жесткости конечных элементов высокого порядка для задач теории упругости и для стационарных задач матфизики, описываемых квазигармоническим уравнением с переменными коэффициентами.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Параллельные алгоритмы вычисления матриц жесткости конечных элементов высокого порядка многомерных задач матфизики»

Вычислительные технологии

Том 1, № 1, 1996

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ АЛГОРИТМЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ МАТРИЦ ЖЕСТКОСТИ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫСОКОГО ПОРЯДКА МНОГОМЕРНЫХ ЗАДАЧ МАТФИЗИКИ*

А. Д. Матвеев Вычислительный центр СО РАН в г. Красноярске, Россия

Ю. В. Немировский Институт теоретической и прикладной механики СО РАН,

Новосибирск, Россия

Описываются параллельные алгоритмы построения матриц жесткости конечных элементов высокого порядка для задач теории упругости и для стационарных задач матфизики, описываемых квазигармоническим уравнением с переменными коэффициентами.

Процедура построения матриц жесткости конечных элементов высокого порядка многомерных задач матфизики имеет матричную формулировку и сводится к вычислению интегралов от функций, построенных в местной системе координат или в Ь-координатах [1, 2]. Интегралы определяются численно, и эта процедура связана с выполнением большого объема вычислений.

Использование высокопроизводительной вычислительной техники — параллельных компьютеров при многочисленных исследованиях дает максимальную выгоду [3-5]. Поэтому в последнее время известные методы решения задач механики модифицируются с точки зрения выделения в них параллельных алгоритмов.

В данной статье предлагаются параллельные алгоритмы построения матриц жесткости конечных элементов высокого порядка для задач теории упругости и для стационарных задач матфизики, описываемых квазигармоническим уравнением с переменными коэффициентами.

Краткая суть данного подхода состоит в том, что коэффициенты матрицы жесткости элементов определяются из условия минимизации квадратичного функционала краевой задачи, представленного в скалярной форме (в стандартной процедуре МКЭ функционал энергии имеет векторно-матричный вид), при определенном выборе структуры матрицы функций формы конечного элемента. Коэффициенты матрицы жесткости в данном случае выражаются в явном виде через группу интегралов.

Достоинства рассматриваемого подхода заключаются в том, что, во-первых, если переменные коэффициенты квазигармонического уравнения или модули упругости анизотропного неоднородного тела являются полиномами, то все интегралы в предложенных

*© А. Д. Матвеев, Ю. В. Немировский, 1996.

алгоритмах для элементов формы прямоугольника или прямоугольной призмы определяются аналитически; во-вторых, интегралы в данном подходе определяются независимо друг от друга, и, следовательно, для их вычисления эффективно используются параллельные алгоритмы; и в-третьих, как показывают численные эксперименты, время построения матриц жесткости на моноЭВМ (однопроцессорной ЭВМ) по формулам предлагаемых процедур существенно меньше времени вычисления по известной матричной процедуре МКЭ [1, 2] при равных условиях их реализации.

Вначале рассмотрим построение параллельных алгоритмов вычисления матриц жесткости конечных элементов для трехмерной задачи упругости. Не теряя общности суждений и для удобства изложения будем считать, что конечный элемент Уе второго порядка имеет форму прямоугольной призмы и расположен в декартовой системе координат ХУ Z (рис. 1), — местная система координат.

Рис. 1.

Пусть для анизотропного неоднородного конечного элемента Уе выполняются соотношения Гука и Коши [6]:

_ ди дх

дш дг

м = те},

дь ди дь

еу ду’ ^Ху ду + дх’

(1)

Ъ

ди дш дг дх'

1уг

дь д'ш дг + ду’

(2)

где {а} = {(ГхОуохТуХТхгТху}Т , {е} = {£х£уег^(уг 1хг 1хуУ — векторы напряжений и дефор-

маций; и,ь,ш — перемещения элемента Уе, [Б] — матрица модулей упругости С^ элемента Уе, С^ = С^г, С^ = С^(х,у,г), г,г] = 1, ..., 6; Т — транспонирование, функции Су удовлетворяют условиям эллиптичности [7].

Пусть функции С^ в области элемента Уe являются полиномами вида

е

г

т

Сг^ гкфк (г%к — действительные числа),

к=1

где _

фк = хакувкг_к (ак,вк, % — целые числа). (4)

Используя известные функции формы N1, ... , Ып элемента Уе, записанные в местной системе координат [1, 2], представим их в глобальной системе координат ХУZ, которые имеют вид

п

Na ^ ' таэ У] (га5 — действительные числа), (5)

3=1

Уз = хаэувэг1* (а],в],^3 — целые числа). (6)

Следуя МКЭ [1], аппроксимирующие функции перемещений и,ь,/ш элемента Уе определим соотношением

и } = Ш6}, Ш = ( . ) , (7)

ш ) У 5зп )

где структуру матрицы функций формы [N1 элемента Уе представим в форме [3]

[ы ]

N1 ...Ып 0 ... 0 0 ... 0

0 ... 0 N1 ...Ып 0 ... 0

0 ... 0 0 ... 0 N1 ...Ып

(8)

Согласно (7), (8), вектор {5} узловых неизвестных элемента Уе имеет следующую структуру: 5]^, ..., 5п есть узловые значения перемещений и, 5п+1, ... , 52п — перемещений V, 52п+1, ... , 53п — перемещений ш. Функционал энергии деформаций элемента Уе для представления (1) имеет вид

№е = J ^ 2 С11£х + С12ЄУ + С13ЄХ + С14^ух + С15^хг + С167ху^ +

Уе

+Єу(1 с^у + ^ + аиъ. + б'2^ + сЖ7ху) +

' 1

+Є.2 ^2 С33£, + С347у, + С35Іхх + С361ху^ +

+7у^ 2 С44іух + б45 7х, + С461х^ +

+7х^ ^ С55Іхг + б5б7ху^ + 1ху ^ 6667х^ ^У\ (9)

здесь Уе область элемента в системе координат ХУZ.

Из условия ~д5~ = 0, і = 1, ... , 3п, используя при этом в (9) представления (2), (7), (8),

т.е. учитывая структуру вектора {5}, получаем формулы для вычисления коэффициентов Кав (а, в = 1, ... , 3п) верхней треугольной части матрицы жесткости [К] элемента УЄ:

К,, = / {Сиаав + С\5(рав + р*,) + С,^ + ^) + Ст(и + Ы+

Уе

+ С55?«в + С66Ьав} ЛУ,

Ка+2п, в+2п — / {С33Яа/3 + С34(/ав + /ва) + С35(Рав + Рва) +

Уе

+ С45(^«в + ^ва) + С44Ьав + С55аав}dУ,

Ка+п, в+п / {С22Ьав + С24(/ав + /ва) + С26(^«в + ^в«) +

Уе

+ С46 (рав + рва) + С44?«в + С66аав }dУ,

здесь а = 1, ... , п, в = а, ..., п;

Ка+п,в+2п = / {С23/ав + С24Ьав + С25^0а +

Уе

+ С34?«в + С36Рав + С45Рва + С46^«в + С44/ва + С56аав "}^У-,

Ка,в+2п = / {С13рав + С14^«в + С15аав+

Уе

+ С35^«в + С36/ав + С45/ва + С46Ьав + С55рва + С56^ва}^У Ка,в+п = / {С12&ав + С14рав + С25Ува + С26Ьав + С45^ав+

Уе

+ С16аав + С56 рва + С46/ав + ^6^^^^

здесь а, в = 1,

п;

ду ду

дг дг

а = 1, ..., п, в = а, ..., п,

(10)

(11)

(12)

= дNа дNв = д^ д^ . = дNа дNв

рав с\ с\ , &ав о. гл , /ав г\ г\ ,

дх дг дх ду ду дг

а, в = 1, . . . , п.

Подставляя (5) в (12), (13) и учитывая (3), формулы (10), (11) представим в виде

Кав = С11ав + ... + С55ав + С66ав, Ка+п в+п = С02ав + ... + С44ав + ^

(13)

1а+п, в+п С22ав + ... + С44ав + С66ав

Ка+2п,в+2п = С%ав + ... + С44ав + С55ав,

а = 1, ..., п в = а, ..., п,

Ка+п,в+2п = С23ав + С24ав + ... + С56ав,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

К-а в+2п = СГ3ав + С14ав + ... + СР

(14)

1а, в+2п = С13ав + С14ав Ка, в+п = С12ав + Ср4ав + ... + С<

55ва

Г

46ав,

где обозначено

С11а@ = С11аа@ЗУ\ • • • , С/6а@ = Сж/а/З■,

Уе

Уе

п п т

С11а/3 = Е Е Е Гаі Гві Гк1С11ізк, і=1 3=1 к=1

п п т

к 55ізк">

і=1 3=1 к=1

а = 1, • • •, п в = а,

, п,

п п т

С/3ав = Е Е Е Гаі Гв3 ГТСІзі3к, і=1 3=1 к=1

(16)

здесь а, в = 1,

п п т

с /

С46ав

„467^ /

121212ГРі Гаі ГкС 4біік,

і=1 3=1 к=1

п,

(17)

7=7/

С 11ізк = УХУ3хфк<ІУ, •••, С4бізк = УІуіфк<ІУ,

Уе

Уе

уХ = дУз/дх> уі = дУз/дУ> уі = дУз/дг^

(18)

Итак, в силу (14) — (17) коэффициенты матрицы жесткости элемента Уе в явном виде могут быть выражены через группу интегралов (18), для нахождения которых в силу (12), (13) достаточно вычислить 6 типов интегралов:

здесь і = 1,

31 = у уХуХфкзу, 3 = у

Уе Уе

, п; і = і, •••, п и

УІ УІ фк ІЇУ, З3

УІ УІ фк ,

Уе

34 = уХуУ фк ^, 35 = Угу УІ фк dv, 36 = уХуІ фк dv,

Уе

Уе

Уе

зДесь і,і = 1, • • • , п- В самом деле, например, С11ізк = С15ізк, Ср5ізк = СШ3к и т- д-

Пусть интегралы (18), т. е. 31, •••, 36, определяются численно. Заметим, что для элементов Уе формы тетраэдра интегралы 31 следует определять в Ь-координатах, для Уе (рис. 1) — в местной системе координат ^пС -

Рассмотрим один из вариантов параллельного алгоритма вычисления интегралов 3і, который выполняется на параллельном компьютере с шестью процессорами. Работа этого алгоритма показана на рис. 2. Основная программа расщепляется на шесть параллельных ветвей (вычислений): Ь1, •••, Ь6, которые реализуются соответственно на процессорах: Р1, • • • , Р6. Процессоры Рі работают одновременно и независимо друг от друга. Блок А

Рис. 2.

содержит операторы ввода и подготовки исходных данных, оператор распараллеливания вычислений (ветвей) и оператор распределения данных. Вначале выполняются операторы блока A, которые расположены в основной программе. Затем операторы ветвей Ll, ..., L6 соответственно вычисляют группы интегралов Jl, ..., J6 на процессорах Pl, ..., P6.

Блок B содержит операторы, которые вычисляют коэффициенты матрицы жесткости элемента по формулам (14) — (15) и расположены в программе. Эти операторы выполняются после завершения параллельных вычислений Li.

Для однородного элемента Ye (Cj = const, т. е. фk = const) общее число интегралов равно N = 3n(n + 1)/2 + 3n2. Следовательно, максимальное число параллельных ветвей равно N. Тогда в этом случае время выполнения параллельного алгоритма на параллельном компьютере, имеющем N процессоров, в t/N раз меньше, чем на моноЭВМ (t — время вычисления N интегралов на моноЭВМ). Например, для квадратичного элемента Ye(n = 20): N = 1830.

Отметим, что в блоках A,B, используя принцип потока данных [5], можно выделить ряд систем параллельных вычислений, имеющих структуру графов [4].

Расчеты на моноЭВМ показывают, что при численном интегрировании время построения матрицы жесткости однородного квадратичного элемента Ye формы куба по формулам (10) — (13) в 5 раз меньше времени вычисления [K] по матричной формуле МКЭ [1, 2], т.е. по формуле

Тг

[K]= [B]T [D][B]dY,

Ve

где [Б] — матрица, связывающая {е} и {5} при одинаковом выборе числа точек интегрирования в области V.

Для элемента Уе (см. рис. 1) интегралы (18) определяются аналитически. Используя

(4), (6) в (18) при ау, Ру> 1 найдем

C'

llijk

r\i r\i ( Vaxx Vaxx\ (\rbxx \rbxx \ ( r7cxx r7cxx\

aiaj (X2 - Xl ) (Y2 - Yl ) (Z2 - Zl )

axx b xx Cxx

С

1 вг 1з (Х%У* - Х^* ) (У^ - У^ ) (^Суг - ^уг )

46г] к

Ь

(19)

уг

■'У г

где

— аг + аз + ак — 1, Ьхх — рг + рз + в к + 15

схх — 1г + 1з + 7к + 1 • • • 5 ауг — аг + аз + ак, Ьуг — рг + Рз + в к5 суг — 7г + 7з + 7 к + 1

(Х\,У\, Z\), (Х25У25 И2) — координаты узлов А\, А2 элемента Уе в глобальной системе координат ХУZ (см. рис. 1).

При аз, вз, — 0 вычисления по формулам (14)—(17), (19) упрощаются. Например, если

аз — 0, то в силу (6) имеем д^з/дх — 0, и, следовательно, в силу (18) получим С 11гук — 0 и т. д.

Коэффициенты нижней треугольной части матрицы жесткости элемента Уе определяются из условия ее симметрии, т. е.

Ква — Кав а — 1,..., 3п; в — а, •••, 3п

Пусть срединная поверхность недеформируемого тонкого прямоугольного анизотропного неоднородного конечного элемента Бе высокого порядка, находящегося в плоском напряженном состоянии, расположена в плоскости ХОУ. На рис. 3 показан прямоугольный элемент Бе второго порядка в общей системе координат ХУ и в местной системе

координат £ц.

Рис. 3.

Напряжения ах, ау, тху, деформации ех, еу, 7ху и перемещения и, V элемента Бе связаны соотношениями Гука и Коши [6]:

М — [ОД, (20)

а

ди

дь

ди дь

Єх дх’ Єу ду’ ^ху ду + дх’

(21)

где [Д — матрица упругости; {а}, (е) — векторы напряжений и деформаций, Сгз — модули упругости элемента Бе:

М

<3 х і ' С11 С12 С13

°у ? , Р] = С12 С22 С23

Тху ) С13 С23 Сзз

{є} =

'''/ху

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Пусть функции С^ на Бе в системе координат ХУ имеют вид

Сз = ^2 ї'кфк (г%к — действительные числа),

к=1

где

(22)

(23)

фк — хакувк (ак,вк — целые числа).

Отметим, что гладкие функции Сгз, заданные для пластины, всегда можно на узловой сетке данного разбиения представить в виде (26), используя, например, линейные или квадратичные интерполяционные полиномы [2].

Потенциальная энергия деформаций Бе элемента с учетом (22), (23) имеет вид

We

Єх I 1 СііЄх + Сі2Єу + Сі^) + Єу(2С22Єу + Ох~,ху ) +

+ 2ІхуС33Іху( ЗБ.

(24)

Аппроксимирующие функции перемещений и,ь элемента Бе по МКЭ определяются соотношением

и V

[Я М,

(25)

где [Я] — матрица функций формы Бе размерности (2 х 2п), {£} — вектор узловых параметров МКЭ элемента Бе размерности 2п. За счет перестановки параметров вектора {$} матрицу [Я] представим в форме

[Я ]

N. ..яп о... о

0 ... 0 N1. ..Яп

(26)

где Ыа — функции формы элемента Бе(а =1, ... , п), построенные по алгоритмам МКЭ в общей системе координат ХУ

Е

3 = 1

Гаі уз,

где

Уз = х ^

гаі — действительные, аз— целые числа.

Используя представления (21) — (27), из условия

(27)

(28)

дWe

д6г

є

х

Є

у

т

п

определяем верхнюю треугольную часть матрицы жесткости [К] для элемента Бе, коэффициенты которой вычисляются по формулам

Кав — J {С11 Аав + С13(Дав + Дв«) + С33Рав} dS5 Ка+п,в+п — J {С22Рав + С23(Дз;в + Дв«) + С33Аав} (29)

а — 1, • • •, п, в — а, •••, п,

Ка,в+п — J {С12Дав + С13Аав + С23Рав + С33Два} dS■

а, в — 1, • • • , п,

где

. — дЫа дХв р — дЫа дЫв

Аав с\ с\ , рав о о ,

дх дх ду ду

а — 1, • • •, п, в — а, •••, п,

Д дХа дХв а л

Дав — ----^ а, в — 1, • • • , п•

дх ду

Дифференцируя (27) с учетом (28), получим

дХа А з дХа А 3

Ух — — аз ха?-1ув? ^ уу — — вз ха? ув?Ч (32)

^ — а- х"? -V? уз — ^

дх — а х У ^ Уу — ду

Подставляя (30) в (29) с учетом (31), (32), выражения (29) представим в форме

где обозначено

Кав — Сапав + С^ав + С^ + С^,

Ка+п, в+п — С22ав + С23ав + С23ва + Са3ав,

а — 1, • • •, п, в — а, •••, п,

Ка,в+п — С12ав + С13ав + С23ав + С33ав,

а, в = 1, • • • , п,

С11ав — У С11АавdS■ • • • ^ — ] С33Дав^

Яе Яе

п п т

гга

'а, г —С

СПав — Е Е Е ^ Гв? ^А;1 С°11гзк ^

г=1 з=1 к=1

n n m

С33ав = r«irej r^dCЗ3гjk, (34)

г=1 j=1 k=1

Спг3к — У УхУхФкdS■ •••, С33гзк — \ УхУ^уФкdS• (35)

Яе Яе

Итак, согласно (33), (34) коэффициенты матрицы жесткости [К] в явном виде зависят от группы интегралов (35). Для нахождения интегралов (35) достаточно вычислить интегралы типа

J угхузхфк J уу узуфк ^ У угхууфк

Яе Яе Яе

здесь I — 1, • • • , п, ] — 1, • • • , п^

Для прямоугольного Se (рис. 3) эти интегралы определяются аналитически. Подставляя (23), (32) в (35), имеем

Г\1 Г\1 ( ЛТаХХ \гахх \ (\гЬхх \ГЪхх\

Са — агаз (Х2 - Х1 ) (У2 - У1 )

С гзк а Ь ^

ахх Ьхх

-3 агвз(Х2аху - Хаху) (У>Ьху - УЬ1ху)

С гзк — а Ь , ( )

аху Ьху

где ахх аг + аз + ак 1 Ьхх вг + вз + вк + 1 • • • , аху аг + аз + акч Ьху вг + вз + вк;

(Х1,У1), (Х2,У2) — координаты узлов А1, А2 элемента Se (см. рис. 2).

Коэффициенты нижней треугольной части матрицы [К] определяются из условия ее симметрии.

При аг,вг — 0 имеем угх — 0, у у — 0 и, следовательно, в силу (35) получаем С^к — 0,

Сззк — 0 и т.д. Аналогично, как и для трехмерных элементов, определяем интегралы (35) с применением параллельных вычислений для высокоточных треугольных и четырехугольных элементов, используя при этом местные системы координат или Ь-координаты. В данном параллельном алгоритме вычисления интегралов максимальное число параллельных ветвей для однородного элемента Se равно Х — 3п(п + 1)/2.

Рассмотрим экономичную процедуру построения матрицы жесткости конечного элемента Уе высокого порядка формы прямоугольного параллелепипеда для стационарных краевых задач, которые описываются квазигармоническим уравнением [2] (записанным в декартовой системе координат ХУ Z) с переменными коэффициентами

s(K-ш) + i{K'yyI) + l(K-I) + Q = О в VeR <37)

с граничными условиями

у = у0 на S1 (у0 задана) (38)

и (или) на S2:

ду ду ду , ,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Kxx -qX1x + Куу ~Qyly + Kzz ~dz}z + q + h — У^ = 0,

где S = Si + S2 — полная граница области V; q,h = const; lx,ly,lz — направляющие косинусы вектора нормали к границе S2; функции Q = Q(x,y,z), Kxx = Kxx(x,y,z), Kyy = Kyy(x,y,z), Kzz = Kzz(x,y,z) удовлетворяют условиям эллиптичности [Т].

Пусть исходная область V представлена конечными элементами Уе высокого порядка (см. рис. 1) и пусть функции Кхх,Куу,КХХ в области конечных элементов V, являются полиномами вида

Кхх = £

к=1

г1Хик, Куу = Е ик,

к=1

= Е

гк ик,

к=1

где

ик = хакувкг1к;

(40)

(41)

здесь гхх, гк, гк — действительные числа, ак, в к, 7к — целые числа.

Аппроксимирующую функцию у элемента Уе определяем по МКЭ в глобальной системе координат ХУ Z, которая имеет вид [1, 2]

<*1

у = [N1... Яп]

(42)

где

Яа 'У ]га,фз (га, — действительные числа),

з=1

фз = ха6увіг16 (аз, вз,^з — целые числа).

Из условия

дWe

дбі

We

0, і = 1, ... , п, где

Уе

ду

2

у

2

Кхх1 дх) + КуЛ ду) + К*А дг' + 2^У

у

2

ЗБ+

+

ду + -к(у - у^)2

ЗБ;

(43)

(44)

(45)

здесь Se — поверхность элемента Ve.

Используя (42), (43) в (45) с учетом (40), получаем формулы для вычисления коэффициентов Кав(а, в — 1, • • • , п) верхней треугольной части матрицы жесткости [К] элемен-

та Уе

где

Кав = Аав + Вав + Сав + Рав,

а = 1, ..., п, в = а, ..., п,

п п т

Аав = ЕЕ Ег«, г в, гхх^цк,

і=1 з=1 к=1

(46)

п п т

Вав = Е Е Е г*і гв, гкУ Віз ^

і=1 з=1 к=1 п п т

Сав = ЕЕ Ег«.гв,гїСф,

і=1 з=1 к=1

т

т

т

п

1

2

Paf3 h^Y,r*ir>>jP ij •

(47)

i=1 j=1

A,

ijk

dj)i d^j x x

ukdS,

Bijk

Ve

Ve

дфі дф y y

ukdS,

C.

ijk

дфі дф_ dz dz

uk dS, P.

ij

Ve

ФіФ- dS.

(48)

Итак, в силу (46), (47) коэффициенты Кар матрицы жесткости элемента Уе выражаются в явном виде через группу интегралов (48). Отметим, что Аг]к = А]гк, В^к = В]гк, Сгзк = Сзгк, Рг] = Р ]%. Аналогично, как и для трехмерных элементов задачи упругости,

определяются интегралы (4s) с применением параллельных вычислений. Для трехмерной задачи (37) при Kxx = Kyy = Kzz = const в параллельном алгоритме вычисления интегралов (48) максимальное число параллельных ветвей равно N = 2n(n + І).

Для конечного элемента Ye формы прямоугольной призмы интегралы (48) определяются аналитически. Используя (41), (44), в (48) при ai,Pi,Yi ^ І имеем

A,

ijk

aiaj (Xax _ Xlx) (Y“x _ Ya) (Z2“x _ Z^)

ax bx Cx

S

Cjk = YiYj(X? _ Xf) (Y»‘ _ Yb) (Z"z _ Z?), (49)

ijk az bz Cz ’

где

ax = ai + aj + ak _ І, bx = Pi + Pj + вk + І,

Cx = Yi + Yj + Y k + І, • • •,

az = ai + aj + ak + І, bz = Pi + Pj + вk _ І,

Cz = Yi + Yj + Yk _ h

(X20 _ X10) (Y20 _ Y*0) (Z2" _ Z10); (5О)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ij ao bo Co

здесь ао = аг + а.^ + 1, Ьо = вг + в] + 1, со = 7г + Yj + 1, ), (Х2,^2,^2)

координаты узлов А1, А2 элемента Уе в глобальной системе координат ХУZ (см. рис. 1).

При а], в]У{] = 0 вычисления по формулам (46), (47), (49) упрощаются. Например, при а] = 0 в силу (44), (48) имеем Аг]к = 0, при вг = 0 имеем Вг]к = 0 и т. д. Нижняя треугольная часть матрицы [К] элемента Уе определяется из условия ее симметрии.

Расчеты, проведенные на моноЭВМ, показывают, что при численном интегрировании время построения матрицы жесткости элемента Уе второго порядка формы куба для задачи Дирихле (Кхх = Куу = Кгг = 1) по формулам (46)-(48) примерно в 1.8 раз меньше, чем по станрдартной процедуре МКЭ, и в 2.5 раз меньше для элемента Уе третьего порядка.

Результаты данной работы являются обобщением результатов [8, 9].

Список литературы

[1] Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. Мир, М., 1975.

[2] Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. Мир, М., 1977.

[3] Серебряков В. А. Модель и язык для параллельных вычислений при решении научных задач. Журн. вычисл. матем. и матем. физ., 33, №7, 1993, 1083-1103.

[4] Воеводин В. В. Математические модели и методы в параллельных процессах. Наука, М., 1986.

[5] Ортега Дж. Введение в параллельные и векторные методы решения линейных систем. Мир, М., 1991.

[6] Демидов С. П. Теория упругости. Высшая школа, М., 1979.

[7] Ректорис К. Вариационные методы в математической физике и технике. Мир, М., 1985.

[8] Матвеев А. Д., НЕмировский Ю. В. Энергетический метод определения матриц жесткости двумерных и трехмерных высокоточных элементов. Механика деформируемого твердого тела. ТГУ, Томск, 1988, 95-106.

[9] Матвеев А. Д. Аналитический метод построения жесткостей однородных элементов высокого порядка двух-, трехмерных задач упругости. ВЦ СО РАН, Красноярск, 1993.

Поступила в редакцию 12 мая 1996 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.